Demanda instantânea máxima ou “pico da carga”

jan, 2016

Edição 119 – Dezembro de 2015
Por José Starosta

As preocupações com as demandas instantâneas máximas, ou “picos de demanda”, ou ainda “pico da carga”, estão sempre presentes independentemente do tipo de instalação elétrica que se está tratando e, mesmo nos sistemas de geração, transmissão e distribuição, no caso das distribuidoras de energia, ou ainda nos grandes complexos industriais com conexão à rede básica. A abordagem clássica considera as definições:

  • Demanda média [kW ou MW]: Relação entre a energia consumida (kWh ou MWh) em um determinado período “t” e o próprio período “t” do consumo [horas];
  • Demanda máxima ou simplesmente demanda [kW ou MW]: valor máximo das demandas médias medidas em “n” intervalos com duração de um período “t” por intervalo. Na resolução 414 e anteriores, “t” é igual a 15 minutos. No período mensal, o número de intervalos “n” é, portanto, próximo a 2880 (720 horas/mês*4 intervalos por hora);
  • Fator de carga de um determinado período: demanda média / demanda máxima, portanto, adimensional expresso normalmente em valores percentuais.

Estas definições que têm sido aplicadas por décadas nos consecutivos modelos tarifários utilizados pelo poder concedente e pelas distribuidoras é o primeiro ponto a ser evidenciado e é relativo à demanda máxima, que, ao contrário da terminologia e daquilo que poderia se supor, pode não representar o comportamento da carga sob o ponto de vista da solicitação do sistema de potência que a alimenta. Assim, equívocos em dimensionamento de equipamentos e componentes, aferição de sistemas de proteção e outros podem ocorrer se esta variável for considerada isoladamente. A Figura 1 apresenta os registros efetuados em uma indústria, da potência ativa em kW tomada em leituras a cada ciclo (16 milissegundos em 60 Hz) e a energia ativa consumida a cada 15 minutos em kWh de onde será calculada a demanda de cada intervalo, conforme adiante detalhado.

O que se observa, no instante em que a potência ativa registrada atinge seu valor máximo (ou de pico) da ordem de 780 kW, é que a demanda média definida a partir do consumo de 148 kWh em 15 minutos registra valores menores que 600 kW (148*4 intervalos de 15 minutos por hora).

Situações como estas são encontradas em todas as instalações com consumo variável de carga, podendo gerar definições e escolhas equivocadas. Não confundir demanda máxima dos intervalos de 15 minutos com os máximos instantâneos, ou mesmo leituras instantâneas aleatórias em cada intervalo, mas sim entender que se trata de uma integração da energia consumida no intervalo e que, na sequência, será referenciado ao período em que tal medição teria sido efetuada.

Um ponto bastante polêmico (calma, meu caro prof. Ernani) considera a definição pelas concessionárias dos valores de ajustes dos relés de proteção de sobrecorrente das entradas das instalações em função destes valores de demanda (no caso a demanda contratada – próxima da máxima das médias dos intervalos e não a de máxima solicitação ou de “pico”). Ainda estes valores de corrente da carga podem ser ainda maiores em função do consumo de potência reativa devido à energização de transformadores e partidas de motores, causando amplas discussões ainda sem todas as respostas concluídas. Definitivamente, ajustar o relé de entrada, referenciado pela demanda contratada carece de melhores análises.

Outro equívoco comum é o de definir uma fonte de contingência, por exemplo, geradores, dimensionados pela demanda registrada na conta da distribuidora (valores integrados), com resultados nem sempre adequados e favoráveis.


Figura 1 – Registros de demandas máximas e de energia consumida em 15 minutos em instalação industrial. Fonte: Ação Engenharia e Instalações Ltda.

O sistema interligado nacional (SIN)

Na outra ponta, a do suprimento de energia, observa-se uma situação análoga, apesar dos volumes de energia extremamente maiores e até não comparável. Os dados da ONS de onde as informações da Figura 2 foram extraídos e cruzadas entre si, apresentam a comparação da demanda média mensal da carga do Sistema Interligado Nacional (SIN) e os valores das demandas de pico registradas por este mesmo sistema.

A diferença entre os valores médios mensais e os máximos registrados chega a mais de 18.000 MW em cada mês. O cenário atual aponta para valores médios mensais da ordem de 60.000 MW e valores de pico maiores que 80.000 MW em fevereiro de 2014 e fevereiro de 2015.


Figura 2 – Carga de energia e demanda instantânea máxima do SIN. Fonte: ONS.

 

Este cenário de complexa combinação de fontes e topologias de redes é cada vez mais “recheado” de fontes renováveis e outras que não possuem capacidade de reação programada; em outras palavras, o sistema deve ser sustentado por fontes seguras e presentes em função da demanda instantânea da carga não característica das fontes renováveis. Considere-se ainda a necessidade de se manter potências de curto-circuito mínimas, garantindo, assim, os padrões adequados da qualidade da energia. Deve-se ainda atentar que o SIN é composto por quatro subsistemas, o sul, sudeste/centro-oeste/nordeste e norte, sendo cada um com suas peculiaridades de fontes e cargas, além das necessárias exportações e importações de energia entre eles.

A Empresa de Pesquisas Energéticas (EPE) tem a incumbência de garantir a projeção das fontes adequadas para as cargas projetadas e esta é outra premissa a ser atendida, notadamente, quando uma usina hidrelétrica tem longo período de construção.

Gestão e eficiência energética

A gestão (da qualidade e consumo) da energia com instrumentação adequada é uma das ferramentas para operação em todos os cenários, incluindo os já citados. Conhecer não só as capacidades das fontes, mas sobretudo, o comportamento da carga em tempo real permite agilidade nas ações, aumentando a confiabilidade e permitindo aos operadores entender os fenômenos, evitando, se for o caso, a recorrência dos problemas.

A eficiência energética, gestão da carga e da própria energia são fatores que possibilitam a rápida readequação em caso de situação critica, além de evitar investimentos no lado da geração. A construção destas “minicentrais virtuais de energia” que são os projetos sérios de eficiência energética evitam ainda as perdas elétricas na transmissão e distribuição, além dos custos pela energia produzida serem bem mais interessantes.

O conhecimento correto das variáveis elétricas e as ferramentas de gestão são soluções que aumentam a confiabilidade e reduzem custos operacionais e consumo de energia.

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