Integração da eficiência energética e material nos transformadores de distribuição pública

Há um reconhecimento crescente de que a transição energética só pode ser sustentável se a utilização material fizer parte da equação, um aspecto reflectido nas recentes iniciativas regulamentares da UE. Nos sistemas eléctricos, associar com sucesso a eficiência energética à eficiência dos recursos pode ser um desafio, mas o conceito de carga de pico sustentável para transformadores de energia em redes públicas de distribuição é uma solução elegante que consegue combinar ambos os objectivos.

Evitar conflitos inerentes

A ambição estabelecida no pacote europeu "Apto para 55%" a partir de Julho de 2021 exige que todas as vias técnica e economicamente viáveis para a descarbonização sejam lançadas rigorosamente. As redes de distribuição eléctrica podem contribuir maximizando o seu desempenho energético. Neste contexto, o regulamento de concepção ecológica dos transformadores estipula valores máximos tanto para as perdas de carga como para as perdas sem carga. Os requisitos originais entraram em vigor em 1 de Julho de 2015 e aplicam-se valores mais rigorosos desde 1 de Julho de 2021.

Entretanto, o Acordo Verde Europeu delineou ambições de tornar a economia mais eficiente em termos materiais, culminando num novo Plano de Acção de Economia Circular em Março de 2020. Esta ambição foi reflectida no Artigo 7 da última edição do Regulamento de Concepção Ecológica de Transformadores, que enumera uma série de questões a serem abordadas na próxima revisão do regulamento. Estas incluem "a possibilidade e adequação de cobrir outros impactos ambientais para além da energia na fase de utilização, tais como (...) a eficiência dos materiais".

Por muito sensatas que sejam as ambições, quando se trata de electricidade existe um conflito inerente entre a eficiência energética e a eficiência material. Uma medida chave para melhorar a eficiência energética dos sistemas eléctricos é aumentar a quantidade de material condutor. Só fazendo uma utilização inteligente dos sistemas eléctricos, é que este compromisso pode ser mitigado ou evitado em alguns casos. O conceito de carga de pico sustentável implantado nos transformadores de distribuição representa uma solução tão inteligente. Não altera os transformadores em si, mas maximiza o seu rendimento para a eficiência do material sem comprometer o seu desempenho energético.

Cargas de pico que não comprometem a fiabilidade, a vida útil, ou a eficiência energética

Na origem do conceito de pico de carga sustentável está o facto de muitos transformadores de distribuição pública, tal como classificados actualmente, estarem subexplorados. Isto tem antecedentes históricos. Regras estritas sobre redução de perdas, compactação e ausência de substâncias tóxicas têm motivado várias inovações tecnológicas, incluindo a utilização de material de enrolamento altamente condutivo, aço magnético com perdas reduzidas, papel termicamente melhorado, e ésteres naturais como isolamento de líquidos.

Como resultado, muitos transformadores podem agora suportar temperaturas mais elevadas nos enrolamentos - até 95°C em vez de apenas 65°C, e podem lidar com picos de procura mais elevados sem comprometer a fiabilidade da unidade ou a sua vida útil. Este potencial de pico de carga não é normalmente explorado, uma vez que os operadores continuam a procurar manter as perdas de energia abaixo dos valores estipulados.

A níveis de carga baixos, contudo, a importância relativa das perdas de carga diminui, e a importância relativa das perdas sem carga aumenta. Como resultado, a escolha de um transformador mais pequeno para o mesmo trabalho tem pouca influência nas perdas anuais totais de energia da unidade. As redes públicas de distribuição têm tipicamente níveis de carga tão baixos. Até há pouco tempo, as suas cargas eram apenas estimadas, não medidas. Com a introdução de contadores inteligentes, extensas campanhas de medição registaram agora dados de kWh anuais, que mostram que as cargas tendem a ser mais baixas do que inicialmente se pensava. Os factores de carga médios são cerca de 15% da capacidade da chapa de identificação.

Este baixo factor de carga combinado com a capacidade técnica de sobrecarga conduz directamente ao conceito de transformador de pico de carga sustentável. A "capacidade nominal da chapa de identificação" será o valor pelo qual o transformador irá satisfazer os requisitos dos regulamentos de desempenho energético. A 'capacidade de pico sustentável' do transformador será fixada num valor mais elevado. Desde que o transformador funcione numa rede com baixas cargas médias, como é o caso das redes públicas de distribuição, permitindo este tipo de maior capacidade de pico não aumentará as perdas anuais totais de energia da unidade.

Um exercício de modelização avaliando os potenciais benefícios

Um grupo de peritos, sob a direcção do Instituto Europeu do Cobre, conduziu um exercício de modelização para avaliar o impacto da selecção de unidades de pico de carga sustentáveis para todas as substituições de transformadores em redes públicas de distribuição na UE.

O modelo tomou como ponto de partida o transformador ubíquo de 400 kVA - 24 kV/0,4 kV e calculou a diferença entre substituir todas as unidades de fim de vida 400 kVA na UE por unidades convencionais de 540 kVA, ou por unidades de pico de carga sustentável de 400 kVA/540 kVA.

Quanto ao desempenho energético, deve ser feita uma distinção entre as perdas de potência do transformador, expressas em Watts, e as suas perdas anuais de energia, expressas em kWh. A primeira está sujeita a regulação, enquanto a segunda deve ser tida em conta na avaliação do desempenho ambiental da unidade.

O transformador de pico de carga sustentável de 400 kVA / 540 kVA é concebido de acordo com as normas de desempenho energético mínimo prevalecentes para uma unidade de 400 kVA, o que significa que as suas perdas de carga excederão o valor da chapa de características durante os curtos períodos de pico de carga até 540 kVA. Contudo, as suas perdas sem carga são fixadas a um valor inferior ao de uma unidade convencional de 540 kVA. Para perfis de carga com picos curtos e uma carga média baixa - como é o caso nas redes de distribuição - o aumento das perdas anuais de carga será compensado pela diminuição das perdas anuais sem carga. Isto foi confirmado pelos resultados do exercício de modelização: as perdas anuais totais de energia das unidades de pico de carga sustentáveis foram calculadas para serem muito semelhantes às de uma unidade convencional.

Figura 1 - O conceito de transformador de pico de carga sustentável (transformador de subestação por ing.mixa do Projecto Noun)

Embora não tenha sido feito qualquer compromisso sobre as perdas anuais de energia, a eficiência material do transformador de pico de carga sustentável aumentou substancialmente, com reduções no peso total entre 11 e 15%.

Este ganho de eficiência na utilização de material foi alcançado sem aumentar o custo de aquisição unitário. O exercício de modelização demonstrou que o custo do modelo de pico de carga sustentável é comparável ao de um transformador convencional se todos os outros parâmetros forem mantidos iguais.

Facilitação de actualizações aceleradas da rede

A avaliação dos peritos levou à conclusão de que a aplicação generalizada do conceito de pico de carga sustentável nas redes públicas de distribuição da UE seria um exercício bem-vindo. Faria um bom sentido económico e daria um contributo significativo para os objectivos políticos gémeos de eficiência energética e eficiência material.

Figura 2 - O transformador de pico de carga sustentável proporciona a oportunidade de actualizar a potência de pico mantendo as mesmas dimensões unitárias (fonte: Copper Alliance)

Uma grande vantagem económica do transformador de pico de carga sustentável é a sua compacidade. Com a transição para longe dos combustíveis fósseis, espera-se um crescimento substancial no consumo de electricidade em alguns sectores abastecidos por redes de distribuição. O transformador de pico de carga sustentável proporciona a oportunidade de melhorar a potência de pico do transformador, mantendo as mesmas dimensões da unidade. Este é um aspecto crítico em ambientes urbanos onde o espaço pode ser restringido, permitindo uma instalação mais barata e actualizações anteriores, tornando a rede de distribuição mais robusta e segura.

Fonte: Maximizar a eficiência dos recursos do transformador de distribuição - Potencial contribuição para os objectivos do Acordo Verde da UE, Leonardo Energia , Outubro 2021.