VEs reduzem custos energéticos em 20 %
A integração de veículos elétricos (VEs) em sistemas de alimentação elétrica de trens regionais está emergindo como uma solução inovadora para melhorar a eficiência energética e reduzir custos operacionais. Um estudo recente revela que ao conectar VEs às estações ferroviárias suburbanas, esses veículos não apenas servem como meios de transporte, mas também se tornam unidades móveis de armazenamento de energia, capazes de otimizar o consumo elétrico de toda a rede ferroviária. Essa abordagem, desenvolvida por Tang Zhaoxiang e Xu Wantao da CRRC Qingdao Sifang Co., juntamente com Deng Hao e Lu Wenjie da Escola de Engenharia Elétrica da Universidade Southwest Jiaotong, demonstra como a coordenação entre baterias de carros elétricos, supercapacitores e sistemas de fornecimento de energia de tração pode transformar estacionamentos em centros energéticos inteligentes.
As linhas ferroviárias suburbanas ganharam relevância nas últimas décadas como solução eficaz para conectar centros urbanos a áreas periféricas, oferecendo uma alternativa rápida, segura e de alta capacidade ao tráfego rodoviário. No entanto, o crescimento dessas redes tem gerado um aumento no consumo energético, especialmente em relação à tração elétrica. Tradicionalmente, muitos sistemas ferroviários enfrentam desafios como baixa eficiência na recuperação de energia durante a frenagem regenerativa e picos de demanda que encarecem as contas de energia elétrica. A isso se soma a necessidade de modernizar a infraestrutura para cumprir com os objetivos de descarbonização e sustentabilidade energética.
O modelo proposto nesta pesquisa aborda esses desafios por meio de um sistema de fornecimento de energia de tração monofásico (co-phase AC), que elimina as seções de separação de fases presentes nos sistemas convencionais de corrente alternada. Essa arquitetura permite uma transferência de energia mais eficiente e um gerenciamento melhor da potência reativa. Ao integrar controladores de fluxo de potência (PFC), o sistema pode regular a energia fornecida da rede elétrica, suprimir harmônicos e facilitar a transferência bidirecional de energia, tornando-o uma plataforma ideal para incorporar armazenamento energético distribuído.
O que diferencia este trabalho é sua abordagem à incerteza inerente ao comportamento dos usuários de veículos elétricos. Diferentemente de modelos determinísticos que assumem horários fixos de chegada e saída, níveis constantes de carga inicial e padrões de consumo previsíveis, a realidade mostra uma grande variabilidade. Os proprietários de VEs chegam em momentos diferentes, partem de forma imprevisível e começam a carregar com baterias em diferentes estados de carga. Tentar otimizar o planejamento energético sob essas condições com métodos tradicionais geralmente resulta em soluções excessivamente conservadoras ou inviáveis.
Para superar essa limitação, os pesquisadores empregaram a programação baseada em restrições probabilísticas (chance-constrained programming). Essa abordagem não exige que todas as restrições sejam satisfeitas com certeza absoluta, o que seria pouco realista, mas permite uma pequena margem de risco controlado, por exemplo, uma probabilidade de 5% de não cumprimento, garantindo ao mesmo tempo que o sistema opere dentro de níveis de confiança aceitáveis. Essa metodologia, conhecida como programação com restrições de oportunidade, permite um planejamento mais flexível e realista das atividades de carregamento e descarregamento dos VEs.
O modelo foi formulado como um programa linear misto-inteiro (MILP), uma estrutura de otimização adequada para problemas de tomada de decisão em larga escala que envolvem variáveis discretas (por exemplo, se um VE carrega ou descarrega) e contínuas (por exemplo, níveis de potência). Utilizando o solver CPLEX, uma ferramenta comercial de alto desempenho, a equipe simulou um dia inteiro de operações para uma linha ferroviária urbana equipada com estacionamentos para VEs e supercapacitores a bordo.
Os supercapacitores desempenham um papel fundamental nesta arquitetura. Embora as baterias dos VEs ofereçam alta capacidade energética, não são projetadas para ciclos rápidos e frequentes de carga e descarga, o que pode acelerar sua degradação. Os supercapacitores, por outro lado, são excelentes para lidar com rajadas curtas de alta potência, tornando-os ideais para suavizar cargas transitórias causadas pela aceleração e frenagem dos trens. Ao combinar ambas as tecnologias, o sistema alcança um equilíbrio entre a capacidade energética (dos VEs) e a capacidade de resposta em potência (dos supercapacitores), maximizando o desempenho geral enquanto preserva a saúde das baterias.
Os resultados da simulação foram contundentes. Em comparação com um cenário base sem integração de armazenamento energético, o sistema otimizado reduziu o custo diário de eletricidade para a subestação de tração em 20,37%. Essa redução se traduz em economias significativas para os operadores ferroviários, especialmente quando escalada para redes completas. A diminuição dos custos é atribuída a três fatores principais: menor consumo de energia durante os períodos de tarifa de pico, redução de encargos por demanda e receita gerada pela venda de energia excedente de volta à rede.
Os encargos por demanda, que são baseados na potência média mais alta extraída durante um intervalo de 15 minutos no ciclo de faturamento mensal, representam uma parte significativa das contas de energia elétrica para clientes industriais e de transporte. No cenário não otimizado, a demanda máxima atingiu 9,3 MW, acionando encargos elevados sob a estrutura tarifária de duas partes usada na China. Com o sistema integrado de VEs e supercapacitores gerenciando ativamente os perfis de carga, o pico foi reduzido para 5,4 MW, uma diminuição de 41,9%. Esse achatamento tão drástico da curva de carga não apenas reduz custos, mas também melhora a estabilidade da rede e reduz o estresse em transformadores e equipamentos de comutação.
Outra descoberta fundamental foi a taxa de utilização da energia regenerativa por frenagem, que atingiu um impressionante 96,68%, muito acima dos valores típicos de 30–50% observados em sistemas convencionais. Quando os trens freiam, geram eletricidade que pode ser devolvida às linhas aéreas. Sem armazenamento adequado ou trens próximos para absorver essa energia, ela geralmente é dissipada como calor por meio de resistores ou perdida devido ao aumento de tensão. Neste modelo, no entanto, a energia recuperada é armazenada em supercapacitores para reutilização imediata ou direcionada para carregar VEs estacionados, transformando assim o desperdício em valor.
Além disso, o estudo analisou o impacto do nível de penetração de VEs nas economias de custo. À medida que aumentava o número de VEs conectados, as despesas totais com eletricidade diminuíam constantemente, aproximando-se de um limite inferior de aproximadamente 71.000 yuans por dia. Esse efeito de saturação ocorre porque, além de certo ponto, a demanda adicional de carga de mais VEs começa a compensar os benefícios do nivelamento de carga e da venda de energia. No entanto, o estudo confirma que mesmo uma adoção moderada de VEs, em torno de 100 a 200 veículos por estação, pode gerar retornos econômicos significativos.
Os pesquisadores classificaram os usuários de VEs em dois grupos com base em seu comportamento de deslocamento: Tipo A, composto por trabalhadores urbanos que estacionam em estações suburbanas durante o dia antes de retornar para casa à noite; e Tipo B, residentes locais que trabalham na periferia e carregam seus veículos durante a noite em estacionamentos de intercâmbio modal (P&R). Cada grupo exibe padrões temporais e comportamentais distintos, que foram modelados usando distribuições normais para os horários de chegada e saída e o estado de carga (SOC) inicial, e distribuições uniformes para o SOC desejado no momento da partida.
Foi utilizado amostragem Monte Carlo para gerar 500 cenários estocásticos que refletem a variabilidade do mundo real. Esses cenários foram então incorporados ao modelo de otimização por meio da aproximação da média amostral (SAA), uma técnica que converte restrições probabilísticas em equivalentes determinísticos ao fazer a média de múltiplas realizações. Isso permitiu resolver o modelo com restrições de oportunidade de maneira eficiente, mantendo o rigor estatístico.
Do ponto de vista político, os achados apoiam o desenvolvimento de quadros de planejamento integrado de transporte e energia. Os municípios que investem em ferrovias suburbanas devem considerar a implantação conjunta de infraestrutura de carregamento para VEs não apenas como uma conveniência para os passageiros, mas como um ativo energético estratégico. As empresas de energia também se beneficiam de picos de carga reduzidos e maior resiliência da rede. Além disso, os operadores ferroviários poderiam explorar novos modelos de negócios, como oferecer estacionamento com desconto ou acesso prioritário em troca da participação em programas de veículo à rede (V2G).
A implementação técnica é baseada em conversores DC/DC bidirecionais que conectam as baterias dos VEs e os supercapacitores ao barramento de corrente contínua do PFC. Isso elimina a necessidade de etapas de retificação separadas e permite uma troca de energia fluida entre a rede, os trens e as unidades de armazenamento. O sistema de controle monitora continuamente os preços da eletricidade, os horários dos trens e a disponibilidade dos VEs para determinar as estratégias ótimas de carga e descarga minuto a minuto.
A segurança cibernética e a privacidade do usuário são considerações críticas em qualquer implantação V2G. O modelo assume protocolos de comunicação seguros e o manuseio de dados anonimizados para proteger as informações do usuário. A participação no gerenciamento de energia provavelmente seria opcional, com os usuários definindo preferências para níveis mínimos de bateria e horários de partida. Incentivos como tarifas de carregamento reduzidas ou pontos de fidelidade poderiam incentivar uma adoção mais ampla.
Do ponto de vista ambiental, o uso maior da energia de frenagem regenerativa reduz a necessidade de eletricidade gerada a partir de combustíveis fósseis, diminuindo as emissões de gases de efeito estufa. Mesmo quando a rede inclui carvão ou gás natural, deslocar a geração marginal durante os horários de pico contribui para um ar mais limpo e menos poluição. Com o tempo, à medida que as redes se tornam mais limpas, os benefícios climáticos só aumentarão.
O estudo também destaca a importância de algoritmos de controle coordenado. Simplesmente permitir que os VEs carreguem quando chegam, o chamado “carregamento burro”, pode agravar os picos de carga e aumentar os custos. O carregamento inteligente, guiado por sinais de preço em tempo real e restrições do sistema, garante que a energia seja consumida quando é mais barata e abundante, e injetada quando é mais valiosa.
Embora o modelo atual se concentre na otimização de um dia antes, trabalhos futuros poderiam estender-se a ajustes em tempo real usando técnicas de controle preditivo baseado em modelo (MPC) ou aprendizado por reforço. A integração de fontes renováveis, como coberturas solares sobre os estacionamentos, aumentaria ainda mais a sustentabilidade, criando hubs de transporte totalmente autossuficientes.
Uma limitação potencial é a degradação da bateria devido a ciclos frequentes. Embora o modelo evite descargas profundas e limite as taxas de potência, os impactos de longo prazo na vida útil das baterias dos VEs exigem validação empírica. No entanto, dado que a maioria dos proprietários de VEs não descarrega completamente suas baterias diariamente e muitos dirigem menos de 50 km por dia, há capacidade de sobra suficiente para serviços de rede sem comprometer as necessidades de mobilidade.
Na prática, projetos-piloto poderiam começar com frotas pequenas de VEs de propriedade de empresas ou veículos municipais, fornecendo um ambiente controlado para testes e refinamento. À medida que a confiança cresce, a participação do público poderia expandir-se gradualmente.
As implicações vão além dos sistemas ferroviários. Princípios semelhantes poderiam ser aplicados a depósitos de ônibus, estacionamentos de aeroportos ou campi universitários com frotas eletrificadas. Qualquer lugar onde os VEs estejam estacionados por longos períodos ao lado de cargas energéticas significativas representa um local potencial para o gerenciamento energético integrado.
Em última análise, esta pesquisa exemplifica a convergência dos sistemas de transporte e energia na era da cidade inteligente. Demonstra que os VEs não são apenas substitutos de veículos de combustão interna, mas participantes ativos em um ecossistema energético mais amplo e inteligente. Ao aproveitar a capacidade coletiva das baterias de veículos estacionados, as cidades podem construir infraestruturas mais resilientes, eficientes e sustentáveis.
A integração de VEs em sistemas de energia ferroviária não é apenas uma inovação técnica; é uma mudança de paradigma na forma como pensamos sobre mobilidade e energia. Em vez de ver veículos estacionados como ativos ociosos, eles se tornam unidades de armazenamento móvel que contribuem para a estabilidade da rede e economias de custo. Essa função dual melhora a viabilidade econômica tanto do transporte elétrico quanto do transporte público, criando um círculo virtuoso de sustentabilidade.
À medida que governos em todo o mundo impulsionam a descarbonização e a eletrificação, estudos como este fornecem caminhos práticos para a frente. Eles demonstram que, com as ferramentas de modelagem adequadas, estratégias de controle e coordenação institucional, a transição para uma energia limpa pode ser tecnicamente viável e economicamente vantajosa.
O sucesso dessa abordagem depende da colaboração entre setores: operadores ferroviários, empresas de serviços públicos, fabricantes de automóveis e formuladores de políticas precisam alinhar incentivos e padrões. Interoperabilidade, compartilhamento de dados e clareza regulatória serão essenciais para escalar essas soluções além de demonstrações isoladas.
No entanto, a evidência é clara: os VEs estacionados, quando gerenciados de forma inteligente, podem desempenhar um papel fundamental na redução da pegada energética do transporte urbano. Este estudo oferece um plano convincente para transformar estacionamentos em usinas de energia e passageiros em contribuintes para uma rede mais inteligente e verde.
Tang Zhaoxiang, Xu Wantao, Deng Hao, Lu Wenjie. Operação ótima do sistema de fornecimento de energia de tração ferroviária urbana com veículos elétricos baseado em programação com restrições de oportunidade. Energy Storage Science and Technology, 2024. DOI: 10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0487