Painéis no telhado, carregadores de veículos elétricos e termóstatos inteligentes podem contribuir para aumentar a resistência da rede elétrica

Os engenheiros do MIT propõem um novo “mercado local de eletricidade” para explorar o potencial energético dos dispositivos de ponta da rede dos proprietários de casas.

Há um grande potencial inexplorado nas nossas casas e veículos que pode ser aproveitado para reforçar as redes elétricas locais e torná-las mais resistentes a falhas imprevistas, segundo um novo estudo.

Em resposta a um ataque cibernético ou a uma catástrofe natural, uma rede de reserva de dispositivos descentralizados – tais como painéis solares residenciais, baterias, veículos elétricos, bombas de calor e aquecedores de água – poderia restabelecer a eletricidade ou aliviar o stress da rede, afirmam os engenheiros do MIT.

Esses dispositivos são recursos “de ponta da rede” que se encontram perto do consumidor e não perto de centrais elétricas, subestações ou linhas de transmissão. Os dispositivos de ponta da rede podem gerar, armazenar ou ajustar o seu consumo de energia de forma independente. No seu estudo, a equipa de investigação mostra como esses dispositivos poderão um dia ser chamados a bombear energia para a rede ou a reequilibrá-la, reduzindo ou atrasando o seu consumo de energia.

Num artigo publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences, os engenheiros apresentam um plano para que os dispositivos de ponta da rede possam reforçar a rede elétrica através de um “mercado local de eletricidade”. Os proprietários de dispositivos de ponta da rede elétrica poderiam subscrever um mercado regional e, essencialmente, emprestar o seu dispositivo para fazer parte de uma micro-rede ou de uma rede local de recursos energéticos de emergência.

No caso de a rede elétrica principal ficar comprometida, um algoritmo desenvolvido pelos investigadores entraria em ação em cada mercado local de eletricidade, para determinar rapidamente quais os dispositivos da rede que são de confiança. O algoritmo identificaria então a combinação de dispositivos fiáveis que mitigaria mais eficazmente a falha de energia, quer bombeando energia para a rede, quer reduzindo a energia que dela retiram, num montante que o algoritmo calcularia e comunicaria aos assinantes relevantes. Os assinantes poderiam então ser compensados através do mercado, dependendo da sua participação.

A equipa ilustrou este novo quadro através de uma série de cenários de ataque à rede, nos quais consideraram falhas a diferentes níveis de uma rede elétrica, provenientes de várias fontes, como um ataque cibernético ou uma catástrofe natural. Aplicando o seu algoritmo, a equipa demonstrou que várias redes de dispositivos de ponta da rede foram capazes de dissolver os vários ataques.

Os resultados demonstram que os dispositivos de ponta da rede, tais como painéis solares nos telhados, carregadores de veículos elétricos, baterias e termóstatos inteligentes (para dispositivos AVAC ou bombas de calor) podem ser utilizados para estabilizar a rede elétrica em caso de ataque.

“Todos estes pequenos dispositivos podem fazer a sua parte em termos de ajustamento do consumo”, afirma o coautor do estudo, Anu Annaswamy, investigador do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Se conseguirmos aproveitar as nossas máquinas de lavar louça inteligentes, os painéis nos telhados e os veículos elétricos, e colocarmos os nossos ombros combinados na roda, podemos realmente ter uma rede resiliente”.

Os coautores do estudo do MIT incluem o autor principal Vineet Nair e John Williams, juntamente com colaboradores de várias instituições, incluindo o Instituto Indiano de Tecnologia, o Laboratório Nacional de Energia Renovável e outros.

Aumento de potência

O estudo da equipa é uma extensão do seu trabalho mais vasto na teoria do controlo adaptativo e na conceção de sistemas que se adaptam automaticamente a condições variáveis. Annaswamy, que dirige o Laboratório de Controlo Ativo-Adaptativo do MIT, explora formas de aumentar a fiabilidade das fontes de energia renováveis, como a energia solar.

“Estas energias renováveis têm uma forte assinatura temporal, na medida em que sabemos com certeza que o sol se vai pôr todos os dias, pelo que a energia solar vai desaparecer”, afirma Annaswamy. “Como é que se compensa a falta de energia?”

Os investigadores descobriram que a resposta poderia estar nos muitos dispositivos de ponta da rede que os consumidores estão cada vez mais a instalar nas suas próprias casas.

“Há muitos recursos energéticos distribuídos que estão a surgir agora, mais perto do cliente do que perto de grandes centrais elétricas, e isso deve-se principalmente aos esforços individuais para descarbonizar”, diz Nair. “Portanto, temos toda esta capacidade no limite da rede. Certamente que deveríamos ser capazes de as utilizar corretamente”.

Enquanto consideravam formas de lidar com as quedas de energia resultantes do funcionamento normal das fontes renováveis, a equipa começou também a analisar outras causas de quedas de energia, como os ataques cibernéticos. Perguntaram-se, nestes casos maliciosos, se e como os mesmos dispositivos de ponta da rede poderiam intervir para estabilizar a rede após um ataque imprevisto e direcionado.

Modo de ataque

No seu novo trabalho, Annaswamy, Nair e os seus colegas desenvolveram um quadro para a incorporação de dispositivos de ponta da rede e, em particular, dispositivos da Internet das coisas (IoT), de forma a apoiar a rede maior em caso de ataque ou perturbação. Os dispositivos IoT são objetos físicos que contêm sensores e software que se ligam à Internet.

Para a sua nova estrutura, designada EUREICA (Efficient, Ultra-REsilient, IoT-Coordinated Assets), os investigadores partem do pressuposto de que, um dia, a maior parte dos dispositivos de ponta da rede serão também dispositivos IoT, permitindo que os painéis dos telhados, os carregadores de veículos elétricos e os termóstatos inteligentes se liguem sem fios a uma rede maior de dispositivos igualmente independentes e distribuídos. 

A equipa prevê que, para uma determinada região, como uma comunidade de 1000 casas, exista um determinado número de dispositivos IoT que poderão ser integrados na rede local da região, ou micro-rede. Essa rede seria gerida por um operador, que seria capaz de comunicar com os operadores de outras microrredes próximas.

Se a rede elétrica principal fosse comprometida ou atacada, os operadores executariam o algoritmo de tomada de decisões dos investigadores para determinar os dispositivos fiáveis dentro da rede que podem contribuir para ajudar a atenuar o ataque.

A equipa testou o algoritmo numa série de cenários, como um ataque cibernético em que todos os termóstatos inteligentes de um determinado fabricante são pirateados para aumentar simultaneamente os seus pontos de regulação a um nível que altera drasticamente a carga de energia de uma região e desestabiliza a rede. Os investigadores também consideraram ataques e fenómenos meteorológicos que poderiam interromper a transmissão de energia a vários níveis e nós de uma rede elétrica.

“Nos nossos ataques, consideramos que entre 5 e 40 por cento da energia se perde. Assumimos que alguns nós são atacados e outros ainda estão disponíveis e têm alguns recursos IoT, quer se trate de uma bateria com energia disponível ou de um EV ou dispositivo HVAC controlável”, explica Nair. “Assim, o nosso algoritmo decide qual dessas casas pode intervir para fornecer uma produção extra de energia para injetar na rede ou reduzir a sua procura para colmatar o défice.”

Em todos os cenários testados, a equipa verificou que o algoritmo foi capaz de reestabilizar a rede e atenuar o ataque ou a falha de energia. Reconhecem que a implementação de uma tal rede de dispositivos de ponta da rede exigirá a adesão de clientes, decisores políticos e funcionários locais, bem como inovações como inversores de energia avançados que permitam aos VE injetar energia de volta à rede.

“Este é apenas o primeiro de muitos passos que têm de acontecer em rápida sucessão para que esta ideia de mercados locais de eletricidade seja implementada e expandida”, afirma Annaswamy. “Mas acreditamos que é um bom começo”.

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Iniciativa de Energia do MIT.