Introdução à Usina Virtual de Energia (VPP) — Agrupando Recursos Distribuídos e Vendendo-os como uma Usina de Energia

Isoladamente, alguns kW de energia solar em telhados ou baterias residenciais não têm valor para um operador de rede como uma "usina de energia". Mas, ao agrupar milhares ou dezenas de milhares deles e controlá-los simultaneamente por meio de comunicação e software, a produção combinada pode rivalizar com a de uma única usina termelétrica. Essa é a ideia básica por trás de uma VPP (Usina Virtual de Energia). Uma VPP não é uma nova forma de gerar energia — é uma plataforma de informações que agrupa recursos distribuídos existentes em uma unidade que pode ser negociada no mercado. A base de comunicação e medição para o agrupamento de recursos distribuídos foi abordada no Guia Introdutório de Redes Inteligentes. Este artigo se concentra na estrutura de negócios construída sobre essa base, juntamente com o modelo institucional do Japão e exemplos reais.

Resumo em 30 segundos

• Uma VPP (Plataforma Virtual de Energia) é um mecanismo que agrupa recursos distribuídos com características muito diferentes — energia solar em telhados, baterias residenciais, veículos elétricos e resposta à demanda (RD) em fábricas — por meio de comunicação e software, tratando-os como uma única usina de energia controlável.

• No Japão, o sistema é projetado em torno de uma estrutura de dois níveis: "agregadores de recursos", que contratam diretamente com os consumidores e controlam seus recursos, e "coordenadores de agregação", que agrupam a produção oferecida por múltiplos agregadores de recursos e gerenciam a comercialização no atacado. Em abril de 2022, o sistema de fornecedores atacadistas especificados foi iniciado, e a ENERES tornou-se a primeira agregadora certificada no Japão sob esse sistema.

• Os recursos que uma VPP visa diferem em velocidade de resposta, duração e previsibilidade. Baterias e veículos elétricos respondem rapidamente; a energia solar é difícil de controlar na direção ascendente; e a RD proveniente de sistemas de climatização e equipamentos de produção de fábricas é de grande escala, mas com flexibilidade limitada.

• O principal campo de batalha para as VPPs japonesas não é tanto o mercado atacadista de energia (JEPX) em si, mas sim o mercado de balanceamento, onde as concessionárias de transmissão e distribuição de energia adquirem energia de regulação. Este mercado oferece diversas categorias de produtos divididas por tempo de resposta e duração, e uma VPP escolhe em qual produto licitar com base nas características de seus recursos.
• Como exemplo prático, durante as condições de alta demanda e oferta de energia do verão de 2022, a REXEV e a ENERES colocaram a tecnologia V2G — utilizando as baterias de veículos elétricos compartilhados — em uso prático para fornecer energia de regulação. A VPP é uma tecnologia em que o projeto institucional e a operação no mundo real estão avançando cada vez mais em conjunto, ultrapassando a fase de demonstração.

1. O que é uma VPP — o significado de "virtual"

O termo "virtual" em VPP significa que ela não possui uma usina de energia física própria. Painéis solares, baterias residenciais, baterias de bordo de veículos elétricos e a capacidade de resposta à demanda de uma fábrica são, fisicamente, apenas pequenos recursos em locais separados. Ao conectar esses recursos em rede, um software central monitora o estado de cada um (carga restante, previsão de geração, programação operacional, etc.) e envia comandos para aumentar ou diminuir a produção nos momentos necessários. Da perspectiva de um operador de rede ou do mercado de energia, esse conjunto se comporta como se fosse "uma única usina".

Figura 1 — Em uma VPP, os agregadores de recursos contratam diretamente e controlam recursos distribuídos de diferentes características, e um coordenador de agregação os reúne para negociar com o mercado de balanceamento, o mercado atacadista de energia e as concessionárias de transmissão e distribuição em geral — uma estrutura de dois níveis.

2. Sistema de Agregação do Japão — Uma Estrutura de Dois Níveis

O sistema VPP do Japão é dividido em duas funções: o agregador de recursos e o coordenador de agregação. Um agregador de recursos assina um contrato de serviço VPP diretamente com um consumidor (uma residência ou uma fábrica) e controla seus painéis solares, baterias ou equipamentos de resposta à demanda. Um coordenador de agregação reúne a produção coletada por múltiplos agregadores de recursos e Realiza negociação direta de energia com concessionárias de transmissão e distribuição em geral ou fornecedores de energia elétrica no varejo.

A estrutura é respaldada institucionalmente pelo sistema de fornecedores atacadistas (agregadores) especificados, que entrou em vigor em abril de 2022. Ele confere respaldo legal ao negócio de agregação de recursos distribuídos e venda de energia no atacado, da mesma forma que uma empresa de geração faria, e a ENERES tornou-se a primeira agregadora certificada no Japão sob esse sistema. Mesmo antes da institucionalização, o projeto de demonstração VPP do METI (realizado entre os anos fiscais de 2016 e 2020) já havia validado a divisão de funções entre agregadores de recursos e coordenadores de agregação, além de padronizar as interfaces de comunicação entre eles.

3. O Tipos e Características dos Recursos que um VPP Agrupa

Os recursos que um VPP visa não são uniformes. A velocidade de resposta, a duração e a previsibilidade da produção variam muito de recurso para recurso, portanto, os agregadores projetam o caráter da potência de regulação que podem fornecer com base em como combinam os recursos.

Como a energia solar não pode aumentar a produção sem luz solar, ela não é adequada como recurso de resposta à demanda ascendente. Baterias e veículos elétricos, por outro lado, podem ser usados tanto para carga quanto para descarga, tornando-os prováveis fontes principais de regulação de energia de uma usina virtual. A tecnologia V2G (Veículo para Rede) com veículos elétricos consiste em usar a bateria a bordo não apenas como fonte de energia para transporte, mas também como fonte de regulação de energia durante as horas em que o veículo não está em uso.

4. Arquitetura de Controle — Relembrando as Camadas de Comunicação

Para que uma usina virtual controle um grande número de pequenos recursos, as camadas de comunicação abordadas no Guia Introdutório de Redes Inteligentes servem diretamente como sua base. O ECHONET Lite é frequentemente usado para controle de dispositivos domésticos e o OpenADR para... Automatizando sinais de resposta à demanda entre empresas (B2B). No sistema em nuvem do agregador, o estado de cada recurso (estado de carga, programação operacional, previsão de geração) é agregado, e os comandos do mercado são recebidos e distribuídos para cada recurso. A precisão e a velocidade desse algoritmo de alocação determinam diretamente a qualidade da energia de regulação que uma usina virtual pode fornecer.

5. Estrutura de Mercado do Japão — o Mercado de Balanceamento e o JEPX

Os principais canais de geração de receita de uma usina virtual se dividem em dois: o mercado atacadista de energia (JEPX), onde a eletricidade é comprada e vendida, e o mercado de balanceamento, onde as concessionárias de transmissão e distribuição adquirem energia de regulação para manter a frequência e o equilíbrio entre oferta e demanda.

O mercado de balanceamento foi aberto em etapas desde o ano fiscal de 2021, negociando produtos que variam de energia de regulação primária a energia de regulação terciária ② — categorizados por tempo de resposta e duração (o contexto físico detalhado dessa classificação é abordado em [Inércia da Rede e Regulação de Frequência]). Introdução). Baterias e veículos elétricos de resposta rápida são adequados para categorias de produtos com tempo de resposta curto, enquanto a resposta à demanda (RD) de fábricas, com resposta relativamente mais lenta, é adequada para categorias com maior flexibilidade no tempo de resposta. Uma usina virtual de energia (VPP) define em qual categoria de produto licitar avaliando as características de resposta dos recursos que agrupa.

Além disso, a "sobreposição de receitas" — a combinação de múltiplos fluxos de receita, como a venda de eletricidade no mercado atacadista, o fornecimento de energia de regulação no mercado de balanceamento e a redução dos custos do consumidor por meio do corte de pico — é o que determina a viabilidade comercial de uma VPP. Mesmo um recurso que não consegue recuperar seu investimento apenas por meio de um único mercado pode, às vezes, se tornar viável quando múltiplos usos são combinados.

6. Um Exemplo Real — da Demonstração à V2G Prática

O setor de VPP do Japão, por meio do projeto de demonstração de VPP do METI (Ministério da Economia, Comércio e Indústria do Japão) entre os anos fiscais de 2016 e 2020, contou com a participação de diversas empresas como agregadoras e fornecedoras de recursos. Coordenadores, validando padrões de comunicação e regras operacionais. A KDDI e a ENERES avançaram com uma iniciativa de VPP usando 5G e MEC (computação de borda multiacesso), um exemplo conhecido de tentativa de melhorar a latência e a confiabilidade do controle de VPP do ponto de vista da infraestrutura de comunicação.

Como um caso concreto que alcançou uso prático, durante as condições especialmente críticas de oferta e demanda de energia do verão de 2022, a REXEV e a ENERES colocaram em prática um esquema que descarrega as baterias de bordo de veículos elétricos usados em um negócio de compartilhamento de carros na área de Odawara/Hakone via V2G durante as horas em que os veículos não estão em uso, oferecendo a energia gerada como energia de regulação para a região de Kanto. É uma tentativa de extrair dois tipos de valor — uso como transporte e fornecimento de energia de regulação para a rede — da mesma bateria do veículo, posicionando-se como um exemplo de V2G atingindo o estágio de uso prático.

7. Relação da VPP com as Baterias e com a Rede Inteligente

Uma VPP não substitui a tecnologia de uma bateria de escala de rede (célula) em si. química, BMS, eficiência de ida e volta, etc.). Em vez disso, trata-se de uma "camada de negócios" que agrupa as baterias individuais abordadas no Guia Introdutório de Baterias de Energia em uma unidade que pode ser negociada no mercado. Da mesma forma, uma VPP é um mecanismo institucional e operacional construído sobre infraestrutura de hardware, como medidores inteligentes e protocolos de comunicação, e não pode funcionar sem a infraestrutura de medição e comunicação abordada no Guia Introdutório de Redes Inteligentes. É prático entender VPP, baterias e redes inteligentes não como tecnologias concorrentes, mas como diferentes camadas empilhadas umas sobre as outras.

8. Desafios Atuais e Foco da Pesquisa

• Latência e confiabilidade da comunicação: é necessário um mecanismo para enviar comandos simultaneamente a um grande número de recursos e confirmar a resposta dentro de um intervalo de tempo especificado. O uso de 5G e MEC é uma resposta a esse desafio.

• Precisão da linha de base: medição O efeito da resposta à demanda (RD) exige que seja avaliado em relação à diferença entre o "uso estimado caso não tivesse sido controlado" (a linha de base), e a precisão dessa estimativa determina diretamente a credibilidade do mercado.

• Cibersegurança: com um grande número de dispositivos domésticos e veículos elétricos conectados à rede, o gerenciamento da superfície de ataque torna-se importante.
• Diversificação de recursos: a incorporação de novos tipos de recursos está sendo explorada, como aquecedores de água com bomba de calor, bombas de calor industriais e ajuste de carga de data centers.
• Padronização: a criação de interfaces padrão para controlar dispositivos de diferentes fabricantes e padrões de comunicação em geral afeta a facilidade com que os agregadores podem entrar no mercado.

Resumo: Uma VPP não é uma "usina de energia", mas uma "camada de agregação"

Uma VPP não é uma tecnologia de nova geração — é um mecanismo que agrupa recursos distribuídos existentes, como energia solar, baterias, veículos elétricos e RD, em uma única unidade negociável por meio de comunicação e software. O Japão construiu um sistema de duas camadas de agregadores de recursos e coordenadores de agregação, e com o Com o mercado de balanceamento fornecendo um ambiente concreto para negociação, a transição da demonstração para a implementação prática está em andamento.

Ao avaliar uma iniciativa de VPP (Parque Virtual de Energia), vale a pena verificar o seguinte:

1. Quais recursos (solar, baterias, veículos elétricos, resposta à demanda) estão sendo agrupados e com qual velocidade e duração de resposta?

2. Trata-se de um agregador de recursos ou de um coordenador de agregação? Como a divisão de funções está estruturada?

3. Qual combinação de fontes de receita — mercado atacadista, mercado de balanceamento, redução de custos — está sendo utilizada e como?

4. Como a confiabilidade da medição de linha de base ou da comunicação está sendo garantida?

Manter esses quatro pontos em mente permite que você interprete um anúncio de VPP como uma estrutura concreta — como os recursos distribuídos são agrupados e onde estão sendo negociados.

Referências

• Agência de Recursos Naturais e Energia — O que são VPP e DR?
• Agência de Recursos Naturais e Energia — Glossário de termos VPP/DR
• Agência de Recursos Naturais e Energia — Utilizando VPP/DR
• ENERES Co., Ltd. — Utilizando energia de veículos elétricos em condições de oferta e demanda de energia restritas
• REXEV Co., Ltd. — Utilizando energia de veículos elétricos em condições de oferta e demanda de energia restritas
• KDDI — Como a ENERES e a KDDI vislumbram uma sociedade descarbonizada por meio da usina virtual de energia (VPP)
• Mercado de Reserva de Energia Elétrica (EPRX) — O que é o Mercado de Balanceamento?
• Organização para a Coordenação Inter-regional de Operadores de Transmissão, Japão (OCCTO)