Usinas virtuais. É possível gerenciar as fontes de energia "verde"?

A humanidade está aumentando seu consumo e produção de eletricidade, prestando atenção especial a fontes renováveis ​​ou "verdes". Segundo a empresa de pesquisa REN21, em 2017 a participação de energias renováveis ​​na produção mundial era de 10,4%. Além disso, nos países avançados, essa participação é maior: em 2017, a UE recebeu 17,5% de energia proveniente de fontes renováveis ​​e a meta para 2020 é de 20%. À medida que a participação de energia renovável no desenvolvimento aumenta, aumenta a importância dos problemas associados a eles. Quais são esses problemas, como eles resolvem usinas virtuais e o que é isso tudo? Nós estamos dizendo.

O que há de errado com a energia verde?

Em geral, tudo é assim. No site da Enerdata, você pode ver dados sobre a produção de energia para os anos 1990-2017 por país - os gráficos mostram que a maioria dos países está aumentando a participação de fontes de energia renováveis. Nosso futuro está inevitavelmente conectado à energia alternativa e, para os países mais avançados e as indústrias individuais, isso já é o presente. Assim, as ferrovias holandesas desde 2017 viajam exclusivamente com eletricidade de moinhos de vento. E, portanto, transportam cerca de 320 milhões de passageiros por ano, o que é 18,5 vezes mais do que toda a população do país (para comparação: a Russian Railways transporta cerca de 1 bilhão de passageiros por ano, ou seja, 7-8 populações russas). Outro exemplo é a Noruega: mais de 97,8% da energia produzida neste país é gerada por fontes alternativas.


Alguns países europeus não apenas atingiram as metas de aumento da parcela de eletricidade proveniente de fontes renováveis, mas também as excederam. Os líderes são Suécia, Finlândia e Letônia. Fonte: Eurostat

Ou seja, tudo parece ótimo, mas ainda há dificuldades: por todas as suas vantagens, a energia alternativa não pode fornecer um nível constante de produção de eletricidade. Às vezes, há menos eletricidade do que os consumidores precisam. Às vezes, pelo contrário, isso também é um problema, pois o excesso de eletricidade precisa ser colocado em algum lugar. Os painéis solares funcionam apenas durante o dia, sua eficiência depende da época do ano e das condições climáticas. Os parques eólicos dependem não apenas da presença de vento, mas, por exemplo, param de funcionar durante o voo sazonal dos pássaros. As usinas de energia das marés funcionam várias horas por dia, durante os fluxos e refluxos. Esse é o principal problema e a principal diferença das usinas nucleares e térmicas. E quanto mais a geração vier de fontes verdes, maior a importância desses problemas. Além disso, as fontes de energia renovável geralmente estão longe uma da outra, o que requer uma infraestrutura mais complexa do que no caso da produção centralizada de uma quantidade comparável de energia.

O que fazer sobre isso?

Para solucionar esses problemas, foram inventadas usinas virtuais (parque eólico, elas também são VPP - Virtual Power Plants). Os chamados sistemas de hardware e software que permitem gerenciar um grande número de instalações diferentes para gerar energia, como se fosse uma usina. O software, criado usando tecnologias de aprendizado de máquina, distribui eletricidade entre os consumidores e também reserva excedentes, usando-os para compensar as crises diárias. E aqui os elementos da IA ​​de autoaprendizagem introduzidos no código são especialmente importantes, que aprendem a prever desacelerações na produção e picos de consumo, otimizando o movimento de energia dentro do sistema.

Simplificando, uma usina virtual é uma troca de vendedores e compradores de eletricidade que equilibra a oferta e a demanda de energia. Como resultado, todos os consumidores de eletricidade usam energia verde como se fosse gerada por uma usina nuclear clássica ou usina termelétrica. Ou seja, a eletricidade na rede está sempre lá e a tensão na rede é constante. E os produtores de energia têm a garantia de vender seus produtos.

Uma usina virtual é sempre um projeto individual, pois a estrutura das fontes de energia renováveis ​​e de seus consumidores é sempre única e depende das características geográficas e demográficas da região. No entanto, em qualquer parque eólico, existem os seguintes elementos:

1. fontes de energia (renováveis ​​e tradicionais),
2. consumidores de eletricidade (empresas e população),
3. sistema de armazenamento de energia (baterias),
4. Sensores IoT para coletar informações e gerenciar o trabalho dos consumidores,
5. Software de gerenciamento de energia.

As usinas virtuais podem ser facilmente dimensionadas para a infraestrutura planetária global, sem mencionar as necessidades de um único estado. Fonte: Toshiba

Em sistemas de energia em que a eletricidade é gerada por usinas solares e eólicas e a energia é distribuída sem o uso de usinas virtuais, é necessário reservar energia, e pelo menos 13 a 15% da energia gerada e reservada não é normalmente utilizada. Como resultado, gerar eletricidade é menos rentável. Em sistemas com usinas virtuais, a quantidade de reservas desnecessárias é muito menor. Idealmente, geralmente deve tender a zero.

Além disso, algoritmos de software para usinas eólicas podem reduzir o consumo de energia no sistema, minimizando as perdas na transferência de energia e trabalhando com sensores da Internet. Assim, com a ajuda deles, é possível regular o aquecimento no inverno e os condicionadores de ar no verão, economizando energia na consecução das temperaturas definidas. E você pode vincular a ventilação do edifício ao número de pessoas dentro, forçando-o a funcionar no máximo apenas durante o horário de trabalho.

As perspectivas para o mercado virtual de usinas são visíveis em investimentos financeiros. Segundo um relatório da Markets and Markets, em 2016 o mercado global de parques eólicos totalizou 193,4 milhões de dólares, e a previsão até 2021 é de 709 milhões de dólares. Em termos absolutos, isso ainda é um pouco, mas a dinâmica é bastante inequívoca e, então, quando as tecnologias entram e a Internet das coisas se desenvolve, um avanço nos espera.

Até agora, todos os principais projetos de parques eólicos estão sendo implementados ou já estão trabalhando no modo de teste. Um dos primeiros exemplos práticos do mundo de uso de parques eólicos foi o projeto PowerShift Atlantic, implementado na província canadense de New Brunswick e seus arredores em 2010-2015. Ele combinou os sistemas de energia de New Brunswick, Nova Escócia e Prince Edward Island, consistindo de fontes de energia "fósseis" e renováveis. Como resultado do lançamento da central elétrica virtual, os picos de carga na rede foram quase completamente suavizados.



As condições naturais no sudeste do Canadá são favoráveis ​​ao desenvolvimento de fontes alternativas de energia: parques eólicos e usinas hidrelétricas. No entanto, antes da introdução dos parques eólicos, seu desenvolvimento foi dificultado pela incapacidade de garantir a produção de energia em um nível constante e previsível. Como parte do projeto PowerShift Atlantic, isso foi alcançado. Fonte: PowerShift Atlatic

Com o início dos trabalhos do parque eólico, a troca entre fontes de energia começou a ocorrer de maneira imperceptível para os usuários, a dependência das condições climáticas foi eliminada, o que permitiu o desenvolvimento de usinas eólicas e hidrelétricas. A capacidade total do sistema controlado de energia de parques eólicos é superior a 6.200 MW.

Um dos projetos de parques eólicos mais famosos e em larga escala sendo implementados no momento é a criança Tesla, uma usina virtual gigante no sul da Austrália, combinando 50 mil casas com painéis solares instalados e baterias Powerwall 2. A importância do projeto é que ele já é um desenvolvimento em nível estadual , não uma ferramenta para resolver um problema local. O principal objetivo do parque eólico australiano é complementar e fortalecer o sistema nacional de energia e reduzir o custo da eletricidade para os assinantes. Quando o projeto estiver concluído, a fazenda solar de Tesla produzirá 250 MW de energia e suas baterias poderão armazenar até 650 MW / h. Este é o maior projeto verde da Austrália no momento.

O que une esses projetos? A disponibilidade de recursos renováveis ​​(na costa atlântica do Canadá, uma das melhores condições eólicas do mundo para a criação de parques eólicos; no sul da Austrália, 180 dias ensolarados por ano) e a presença de bairros residenciais de cidades com um desenvolvimento longo e solto.

Projetos semelhantes foram implementados na Finlândia (como resultado do trabalho do parque eólico, as emissões de gases de efeito estufa diminuíram 0,5%), Eslovênia , Alemanha e Havaí .

O que está parando usinas virtuais?

O desenvolvimento de usinas virtuais é seriamente prejudicado no nível legislativo. O fato é que a venda de eletricidade a consumidores em muitos países é permitida apenas para o estado, que a compra de produtores privados. Portanto, é impossível organizar uma rede distribuída privada sem a participação do estado.

Se você observar a experiência russa, observe o progresso lento, mas inevitável. Em 2017, o Governo da Federação Russa aprovou o “Plano de medidas para estimular o desenvolvimento de instalações de geração baseadas em fontes renováveis ​​de energia com capacidade instalada de até 15 kW”, o que implica a operação completa de pequenas fontes renováveis ​​de energia, como moinhos de vento privados e painéis solares. Ainda não foi introduzida uma “tarifa verde” preferencial especial, segundo a qual os proprietários de usinas domésticas poderiam vender excedentes de eletricidade ao estado, mas a lei está sendo considerada na Duma do Estado, e há boas chances de que ela seja adotada este ano.

Além disso, o ponto fraco das usinas virtuais é o alto custo de implementação, que é difícil de prever. São necessárias usinas alternativas que produzam eletricidade cara, que precisa ser subsidiada. É necessário instalar e sincronizar sensores de IoT, que, por sua vez, exigem muito da qualidade da conexão à Internet (no entanto, em países avançados, esse problema será resolvido com a implantação de redes 5G). Software sofisticado e suporte contínuo são necessários. E isso novamente nos leva à necessidade de apoiar o estado ou outro grande investidor na fase de lançamento de um parque eólico.

O que nos espera a todos?

As usinas virtuais se desenvolverão ativamente, empurrando gradualmente leis ultrapassadas em todo o mundo. Por volta de 2021, testemunharemos o surgimento de um mercado de eletricidade completamente novo, intimamente ligado a usinas virtuais, a distribuição inteligente de reservas de energia e a otimização do consumo de energia de todos os participantes do mercado. Até este ano, a construção de grandes usinas virtuais será concluída nos EUA, UE e Japão, e suas vantagens se tornarão aparentes.

Sistemas de parques eólicos bem estabelecidos estimulam o mundo a aumentar a participação de fontes alternativas de energia, o que contribuirá para melhorar a situação ambiental do planeta e economizar recursos naturais. Além disso, a infraestrutura de energia mudará completamente: em vez de usinas gigantes e uma rede de fios divergindo para os consumidores, obteremos uma rede descentralizada. Isso significa que os futuros sistemas energéticos da humanidade se tornarão menos vulneráveis ​​no caso de cataclismos - no Japão, onde a participação de fontes renováveis ​​de energia é pequena e chega a cerca de 17%, os parques eólicos estão ativamente interessados ​​nesse contexto. A descentralização dos fluxos de energia ajudará os japoneses a evitar apagões maciços durante terremotos e tufões.

Além disso, uma rede descentralizada de produtores e consumidores de eletricidade poderá criar mais estações de carregamento para veículos elétricos, o que estimulará a indústria. E não descarte o fato de que quanto menos a humanidade precisar de produtores superpoderosos de eletricidade, menor a probabilidade de grandes desastres tecnológicos. Então, gradualmente, tornamos nosso planeta melhor, mais confortável e mais seguro. E todos serão beneficiados.