As diversas causas por trás das flutuações de frequência nas redes elétricas

A nossa rede elétrica funciona a uma frequência de 50 hertz – geralmente gerada por turbinas, por exemplo em centrais hidroelétricas ou a carvão, que giram a uma velocidade de 50 rotações por segundo. “Quando um consumidor usa mais energia elétrica da rede elétrica, a frequência da rede cai ligeiramente antes que um aumento na alimentação de energia restabeleça a frequência original”, explica Benjamin Schaefer, do Instituto Max Planck de Dinâmica e Auto-Organização (MPIDS). em Goettingen e principal autor do estudo. “Os desvios do valor nominal de 50 hertz devem ser reduzidos ao mínimo, caso contrário, dispositivos elétricos sensíveis podem ser danificados.”

A geração de energia renovável também causa flutuações na frequência da rede porque o vento nem sempre sopra na mesma velocidade e as nuvens alteram constantemente a alimentação dos sistemas fotovoltaicos. Uma sugestão frequente para a integração de geradores de energia renovável na rede elétrica envolve a divisão da rede em pequenas células autónomas conhecidas como microrredes. Isto permitiria que uma comunidade com uma unidade combinada de calor e energia e os seus próprios geradores eólicos e fotovoltaicos, por exemplo, operasse os seus sistemas de energia de forma autónoma.

Mas que impacto teria esta divisão em pequenas células e geradores renováveis ​​adicionais na rede eléctrica? Para responder a esta questão, os cientistas do Forschungszentrum Juelich e do MPIDS analisaram as flutuações da frequência da rede nas redes eléctricas em diferentes regiões do mundo – e, utilizando modelos matemáticos, previram potenciais vulnerabilidades e as suas causas.

Duas surpresas em uma análise

Em primeiro lugar, recolheram medições da Europa, Japão e EUA. Depois, analisaram sistematicamente os dados e foram surpreendidos por dois motivos. “A primeira surpresa foi que a rede apresentava flutuações particularmente fortes a cada 15 minutos”, diz Dirk Witthaut, do Instituto de Pesquisa Energética e Climática de Juelich e do Instituto de Física Teórica da Universidade de Colônia. “Este é o período exacto durante o qual os produtores do mercado eléctrico europeu chegam a acordo sobre uma nova distribuição da electricidade gerada – isto altera a quantidade de electricidade que é alimentada na rede e onde. Pelo menos na Europa, o comércio de energia desempenha, portanto, um papel fundamental no equilíbrio das flutuações de frequência da rede.”

A segunda surpresa foi que as flutuações da grelha estatística em torno do valor nominal de 50 hertz não seguem a distribuição gaussiana esperada, que é uma distribuição simétrica em torno de um valor esperado. Em vez disso, são prováveis ​​flutuações mais extremas. Utilizando modelos matemáticos, os cientistas calcularam as flutuações esperadas dependendo do tamanho da rede e estimaram o grau em que as flutuações dependiam das energias renováveis.

A negociação de energia como fator chave

Uma comparação das regiões investigadas mostrou que uma grande proporção de energias renováveis ​​levou, de facto, a maiores flutuações na rede. “Por exemplo, a proporção da geração eólica e solar no Reino Unido é muito maior do que nos EUA, levando a maiores flutuações na frequência da rede”, explica Dirk Witthaut. Para uma maior quota de energias renováveis, os cientistas recomendam, portanto, um maior investimento num ajuste inteligente do gerador e do consumidor de acordo com a frequência da rede – conhecido como controlo primário e controlo da procura.

Uma das descobertas mais interessantes do estudo, no entanto, é que a flutuação da frequência da rede causada pela comercialização de energia pareceu ser mais significativa do que a flutuação causada pela alimentação renovável.

Os cientistas também descobriram que pequenas redes elétricas apresentam flutuações maiores. “O nosso estudo indica que a divisão de redes grandes e, portanto, muito lentas – como a rede síncrona da Europa Continental – em microrredes causará maiores flutuações de frequência”, diz Benjamin Schaefer. “Tecnicamente, as microrredes são, portanto, apenas uma opção se os padrões de frequência muito rigorosos de hoje forem relaxados.”

Referência: “Flutuações de frequência da rede elétrica não gaussianas caracterizadas por leis estáveis ​​de Lévy e superestatísticas” por Benjamin Schäfer, Christian Beck, Kazuyuki Aihara, Dirk Witthaut e Marc Timme, 8 de janeiro de 2018, Energia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41560-017-0058-z