Techno-economic Analysis of Photovoltaic Distributed Generation Units, Capacitor Banks, and Electric Vehicle Charging Stations on Distribution Network. A Case Study of the Ashanti Region, Ghana

Em muitas partes do mundo, a rede elétrica é algo frágil. É uma vasta rede de fios que transportam energia de usinas centrais para casas e empresas, mas à medida que a demanda cresce e a infraestrutura antiga envelhece, o sistema frequentemente luta para acompanhar o ritmo. Dois problemas são particularmente comuns nestas redes estressadas: a perda de energia na forma de calor enquanto ela viaja pelos fios, e a queda de tensão, que faz com que as luzes diminuam e os equipamentos apresentem mau funcionamento. Estes problemas estão a tornar-se mais urgentes à medida que os países tentam adicionar novas fontes de energia, como painéis solares, e novos tipos de cargas pesadas, como estações de carregamento rápido para veículos elétricos. Se estes novos elementos forem adicionados sem um planeamento cuidadoso, podem agravar os problemas existentes, levando a apagões ou danos dispendiosos. O desafio para os engenheiros é descobrir exatamente onde colocar estes novos ativos e qual deve ser o seu tamanho, para que corrijam as fraquezas da rede em vez de criarem novas.

Esta é a questão precisa que uma equipa de investigadores de Gana e dos Estados Unidos se propôs a responder. Eles focaram-se na Região de Ashanti, em Gana, uma rede elétrica do mundo real que está atualmente sob uma tensão significativa. A rede lá sofre com altas perdas de energia e uma tensão baixa generalizada, uma condição em que a pressão elétrica cai demasiado para que os dispositivos funcionem adequadamente. Para resolver isto, os investigadores desenvolveram uma ferramenta de planeamento baseada em computador que trata três tecnologias diferentes como uma equipa única e interconectada: geradores de energia solar, bancos de capacitores (dispositivos que ajudam a estabilizar a pressão elétrica) e estações de carregamento rápido para veículos elétricos. Em vez de olharem para estas tecnologias de forma isolada, o estudo perguntou como elas poderiam trabalhar juntas para reparar a rede. A equipa executou milhares de simulações num gémeo digital da rede real de Ashanti, testando milhões de combinações diferentes de localizações e tamanhos para estes dispositivos para encontrar o equilíbrio perfeito entre o desempenho técnico e o custo.

Os resultados desta simulação foram impressionantes. Os investigadores descobriram que, ao coordenar cuidadosamente a colocação de painéis solares, capacitores e estações de carregamento, poderiam transformar o desempenho da rede. No cenário mais bem-sucedido, o sistema reduziu a quantidade de energia desperdiçada em 81 por cento. Isto significa que, para cada unidade de eletricidade gerada, muito mais chega realmente ao cliente em vez de ser perdida como calor nos fios. Ao mesmo tempo, o plano eliminou todas as ocorrências de baixa tensão que existiam na rede original. Antes das alterações, quase trinta locais na rede tinham níveis de tensão demasiado baixos para serem seguros ou fiáveis; após a otimização, cada barramento, ou ponto de conexão, foi restaurado para um nível saudável e estável. O estudo também mostrou que esta reparação técnica veio acompanhada de uma forte vantagem financeira. Num período de quinze anos, as poupanças da redução do desperdício de energia e as receitas da venda de energia solar e serviços de carregamento projetaram gerar um lucro líquido de aproximadamente 36,69 milhões de dólares americanos, mesmo após contabilizar os 26,60 milhões de dólares necessários para construir o sistema.

Para chegar a estas conclusões, os investigadores utilizaram dois algoritmos computacionais avançados, que são essencialmente conjuntos de regras que ajudam um computador a procurar a melhor solução entre biliões de possibilidades. Um algoritmo, sobre o qual a equipa trabalhou para melhorar, provou ser significativamente mais eficaz do que o outro. Encontrou uma solução que não só resolveu os problemas técnicos, como também proporcionou um maior retorno financeiro. O estudo comparou este método melhorado com uma abordagem padrão e descobriu que a versão melhorada podia reduzir as perdas de energia em quase 89 por cento, em comparação com apenas 62 por cento do método padrão. Na rede real de Ashanti, a diferença foi ainda mais crítica: o método melhorado reduziu as perdas em 81 por cento, enquanto o método padrão conseguiu apenas uma redução de 61,5 por cento. Isto sugere que a forma específica como os investigadores programaram o seu algoritmo de busca importa profundamente quando se lida com redes complexas do mundo real.

O estudo também destacou a importância de olhar para o quadro financeiro de longo prazo, não apenas para o custo inicial. Embora o plano mais eficaz exigisse um investimento inicial maior de 26,60 milhões de dólares, os retornos ao longo de quinze anos foram substanciais. Os investigadores calcularam que o dinheiro poupado por não desperdiçar eletricidade, combinado com o dinheiro ganho pela venda de energia solar e taxas de carregamento, pagaria o custo inicial em apenas dois a três anos. Depois disso, o sistema continuaria a gerar lucro durante o resto do período de quinze anos. Esta descoberta desafia a ideia de que reparar uma rede partida é puramente uma despesa; em vez disso, mostra que, com a mistura certa de tecnologias, uma empresa de serviços públicos pode transformar uma rede em dificuldades num ativo lucrativo. A investigação não parou nos números, no entanto. Também mapeou exatamente onde estes dispositivos deveriam ir. Por exemplo, identificou barramentos específicos, ou pontos de conexão, na região de Ashanti onde a colocação de um grande gerador solar teria o maior impacto na redução do desperdício, e outros pontos específicos onde um banco de capacitores seria melhor para estabilizar a tensão.

Um dos principais insights deste trabalho é que estas três tecnologias — energia solar, capacitores e estações de carregamento — devem ser planeadas juntas, e não separadamente. Se uma empresa de serviços públicos instalasse painéis solares num local e estações de carregamento noutro sem considerar como afetam um ao outro, o resultado seria uma rede que ainda seria ineficiente ou instável. O estudo demonstrou que, quando estes ativos são tratados como um sistema único e coordenado, os geradores solares e os bancos de capacitores podem trabalhar em conjunto para compensar o impacto das estações de carregamento de veículos elétricos. Os painéis solares fornecem geração de potência ativa para satisfazer a procura, enquanto os bancos de capacitores fornecem potência reativa para estabilizar a tensão, neutralizando efetivamente o stress que as estações de carregamento de veículos elétricos colocam na rede como cargas adicionais. Esta abordagem coordenada permitiu aos investigadores eliminar todas as violações de tensão na rede, um feito que nenhuma das tecnologias conseguiria alcançar sozinha neste contexto específico. O estudo também observou que as estações de carregamento de veículos elétricos, modeladas como cargas adicionais que aumentam a procura, contribuíram de facto para a saúde financeira do projeto, ao fornecerem um fluxo constante de receita através das taxas de carregamento.

Os investigadores foram cuidadosos ao fundamentar as suas descobertas na realidade do contexto ganês. Utilizaram dados reais da rede da Região de Ashanti, incluindo o layout real dos fios, a carga real de eletricidade utilizada e os custos específicos de equipamento naquela região. Não dependeram de condições idealizadas ou suposições teóricas que poderiam não se manter na prática. Por exemplo, contabilizaram o facto de os painéis solares não produzirem energia durante a noite e de o carregamento de veículos elétricos acontecer em períodos específicos do dia. Também fatoraram o custo de substituição de equipamentos, como inversores, que são os dispositivos que convertem a energia solar numa forma que a rede possa utilizar. Ao incluir estes custos e restrições do mundo real, o estudo fornece um roteiro que as empresas de serviços públicos em Gana e regiões semelhantes poderiam realmente seguir. Os resultados sugerem que, mesmo em redes que atualmente lutam com altas perdas e baixa tensão, existe um caminho para um futuro estável e lucrativo, desde que o planeamento seja feito com precisão e coordenação.

O estudo também comparou as suas conclusões com investigações anteriores sobre redes semelhantes para garantir que os seus métodos eram sólidos. Quando testado numa rede elétrica padrão e bem conhecida, utilizada por investigadores em todo o mundo, o algoritmo melhorado teve um desempenho superior a muitos métodos existentes, reduzindo as perdas de energia de forma mais eficaz e encontrando soluções mais próximas do ideal. Isto deu aos investigadores confiança de que a sua abordagem era robusta. No entanto, também reconheceram os limites do seu trabalho. Os resultados baseiam-se em simulações computacionais, que são ferramentas poderosas para testar ideias antes de as construir, mas não são uma garantia do que acontecerá no mundo real. O desempenho real dependerá de fatores como padrões meteorológicos, mudanças na procura de eletricidade e o comportamento preciso dos equipamentos. Apesar destas limitações, o estudo oferece um caso claro e convincente para uma nova forma de pensar o planeamento da rede. Afasta-se da ideia antiga de simplesmente adicionar mais potência ou corrigir um problema de cada vez e propõe, em vez disso, uma abordagem holística onde diferentes tecnologias são tecidas juntas para criar um todo mais forte e eficiente.

Em última análise, o trabalho serve como uma demonstração de como as ferramentas de planeamento modernas podem ajudar as nações em desenvolvimento a saltar etapas mais antigas e ineficientes de desenvolvimento de redes. Ao utilizar algoritmos avançados para encontrar a melhor mistura de energia solar, capacitores e estações de carregamento, os investigadores mostraram que é possível transformar uma rede fraca e de alta perda num sistema fiável e lucrativo. As conclusões são particularmente relevantes para regiões como Ashanti, onde a rede está sob pressão tanto pela infraestrutura envelhecida como pelo crescimento rápido nas novas exigências de energia. O estudo sugere que a solução não reside em escolher entre diferentes tecnologias, mas sim em compreender como elas podem trabalhar juntas. Com o planeamento correto, a rede pode ser reabilitada, o desperdício de energia pode ser drasticamente reduzido e o sistema pode gerar lucro suficiente para se sustentar durante anos. O caminho a seguir, segundo esta investigação, é um de coordenação, precisão e visão de longo prazo.