Techno-economic Energy Management of Water-Integrated Multi- microgrid System using Dynamic Demand Response Programs

No mundo moderno, a eletricidade e a água são frequentemente tratadas como utilidades separadas, fluindo através de tubos e fios distintos para nossas casas e empresas. No entanto, elas estão profundamente interligadas; produzir eletricidade muitas vezes requer vastas quantidades de água para resfriamento, enquanto bombear e tratar a água demanda uma potência elétrica significativa. Essa conexão, conhecida como o nexo água-energia, significa que gerir um recurso inevitavelmente impacta o outro. À medida que as comunidades dependem cada vez mais de fontes de energia locais, como painéis solares e turbinas eólicas, para substituir as grandes centrais elétricas, o desafio muda de simplesmente gerar energia suficiente para equilibrar a oferta e a demanda em tempo real. Quando o sol não está brilhando ou o vento não está soprando, as redes locais podem ter dificuldades, levando a apagões ou a uma dependência dispendiosa de linhas de energia distantes. Para resolver isso, engenheiros estão desenvolvendo "microredes" — pequenas redes de energia autossuficientes que podem operar de forma independente. O objetivo é tornar esses sistemas locais mais inteligentes, permitindo que ajustem seu consumo com base no que está disponível, de forma muito semelhante a como uma residência pode apagar as luzes para economizar dinheiro, mas em uma escala que mantém todo um bairro funcionando suavemente.

Hamid Karimi, um pesquisador da Universidade de Tecnologia de Qom, no Irã, enfrentou esse complexo ato de equilíbrio ao projetar um novo sistema de gestão para uma rede de três dessas microredes que também são responsáveis pelo fornecimento de água potável. Em seu estudo, ele simulou um cenário onde essas redes locais estavam equipadas com painéis solares, turbinas eólicas, geradores a diesel e armazenamento de baterias, juntamente com poços de água, máquinas de dessalinização e tanques de armazenamento. O cerne de seu trabalho foi um processo de planejamento em duas etapas, projetado para lidar tanto com as realidades financeiras quanto técnicas de operação de tal sistema. A primeira etapa focou puramente na economia, calculando a maneira mais barata de operar o sistema ao decidir quando comprar energia da rede principal, quando usar geradores locais e quando deslocar a produção de água para momentos em que a eletricidade fosse barata. A segunda etapa pegou esse plano mais barato e o ajustou para melhorar uma medida específica de independência chamada "índice de medida de autossuficiência". Este índice essencialmente recompensa o sistema por gerar sua própria energia localmente em vez de depender da rede principal, o que ajuda a reduzir as perdas de energia e mantém a voltagem local estável.

Uma inovação crítica na abordagem de Karimi foi a forma como ele lidou com a "resposta à demanda", uma estratégia onde os consumidores concordam em alterar seu uso de eletricidade em resposta a sinais. Estudos anteriores frequentemente assumiam que uma microrede poderia simplesmente cortar ou adicionar uma porcentagem fixa de sua carga a qualquer momento, de forma semelhante a assumir que uma pessoa poderia comer exatamente a mesma quantidade de comida extra independentemente de estar já saciada ou faminta. Karimi argumentou que isso era irrealista. Em vez disso, ele desenvolveu um programa dinâmico que observa os hábitos diários reais das microredes. Ele reconheceu que durante as horas de baixa demanda, quando a eletricidade é barata e a demanda é baixa, uma microrede tem bastante espaço para aumentar o bombeamento de água ou o carregamento de suas baterias. Por outro lado, durante as horas de pico, quando todos estão usando energia, há muito pouco espaço para adicionar mais carga, mas há um espaço significativo para reduzir o consumo. Ao calcular esses limites hora a hora, o sistema pôde tomar decisões muito mais inteligentes. Por exemplo, o modelo determinou que, durante as primeiras horas da manhã, as microredes poderiam aumentar o bombeamento de água em até 20 por cento, enquanto durante o pico da noite, elas poderiam reduzir o consumo em uma margem semelhante, uma flexibilidade que um sistema rígido de taxa fixa simplesmente não conseguiria alcançar.

Quando Karimi executou suas simulações comparando este novo método dinâmico contra uma abordagem tradicional de taxa fixa, os resultados foram impressionantes. O sistema dinâmico reduziu o custo operacional total das três microredes em aproximadamente 20 por cento, economizando mais de US$ 700 no dia simulado em comparação com o método padrão. Mais importante, ele melhorou dramaticamente a confiabilidade do sistema. A quantidade de eletricidade que não foi suprida, conhecida como "energia não suprida", caiu dois terços, passando de mais de 1.300 quilowatt-hora para pouco menos de 440 quilowatt-hora. Isso aconteceu porque o modelo dinâmico permitiu que as microredes deslocassem sua produção de água e o carregamento de baterias para momentos em que a energia renovável local era abundante e os preços eram baixos, em vez de lutar para atender à demanda durante as horas de pico caras e de alta tensão. O sistema também se tornou mais autossuficiente, com o índice de medida de autossuficiência subindo de cerca de 79 por cento para 86 por cento, o que significa que as redes locais foram capazes de atender mais às suas próprias necessidades sem recorrer à rede principal.

O estudo também revelou como os sistemas de água e energia influenciavam um ao outro de maneiras inesperadas. A simulação mostrou que as microredes priorizavam o bombeamento de água de poços subterrâneos porque exigia menos eletricidade do que operar as unidades de dessalinização. No entanto, quando a produção de vento e solar era alta, o sistema automaticamente desviava esse excesso de energia limpa para operar as máquinas de dessalinização, enchendo os tanques de armazenamento com água doce para uso posterior. Essa coordenação suavizou o perfil de carga diária, tornando a curva de uso de eletricidade mais plana e eficiente. Os pesquisadores introduziram uma nova métrica chamada "índice de perfil de carga suave" para medir essa suavidade, e o modelo dinâmico melhorou essa pontuação em cerca de 4 por cento em comparação com a abordagem estática. Ao final da simulação, as microredes demonstraram com sucesso que tratar água e eletricidade como um sistema coordenado e único, gerido por uma resposta flexível e inteligente às condições em tempo real, poderia tornar as redes de energia locais mais baratas, mais confiáveis e muito mais independentes. As descobertas sugerem que, à medida que as comunidades caminham para a descentralização energética, a chave para o sucesso não reside apenas em ter mais painéis solares ou baterias, mas em compreender o potencial preciso, hora a hora, de deslocar a demanda de uma forma que respeite os limites físicos do sistema.