Há muito potencial inexplorado em nossas casas e veículos que poderia ser aproveitado para reforçar as redes elétricas locais e torná-las mais resistentes a interrupções imprevistas, mostra um novo estudo.

Em resposta a um ataque cibernético ou desastre natural, uma rede de backup de dispositivos descentralizados — como painéis solares residenciais, baterias, veículos elétricos, bombas de calor e aquecedores de água — poderia restaurar a eletricidade ou aliviar o estresse na rede, dizem engenheiros do MIT.

Tais dispositivos são recursos de “borda da rede” encontrados perto do consumidor, em vez de perto de usinas de energia central, subestações ou linhas de transmissão. Dispositivos de borda da rede podem gerar, armazenar ou ajustar seu consumo de energia de forma independente. Em seu estudo, a equipe de pesquisa mostra como tais dispositivos poderiam um dia ser chamados para bombear energia para a rede ou reequilibrá-la, diminuindo ou atrasando seu uso de energia.

Em um artigo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , os engenheiros apresentam um projeto de como dispositivos de ponta da rede elétrica poderiam reforçar a rede elétrica por meio de um “ mercado local de eletricidade ”. Proprietários de dispositivos de ponta da rede elétrica poderiam assinar um mercado regional e essencialmente emprestar seus dispositivos para fazer parte de uma microrrede ou de uma rede local de recursos de energia sob demanda.

No caso de a rede elétrica principal ser comprometida, um algoritmo desenvolvido pelos pesquisadores entraria em ação para cada mercado de eletricidade local, para determinar rapidamente quais dispositivos na rede são confiáveis. O algoritmo identificaria então a combinação de dispositivos confiáveis que mitigariam mais efetivamente a falha de energia, bombeando energia para a rede ou reduzindo a energia que eles extraem dela, por uma quantidade que o algoritmo calcularia e comunicaria aos assinantes relevantes. Os assinantes poderiam então ser compensados pelo mercado, dependendo de sua participação.

A equipe ilustrou essa nova estrutura por meio de uma série de cenários de ataque à rede, nos quais eles consideraram falhas em diferentes níveis de uma rede elétrica, de várias fontes, como um ataque cibernético ou um desastre natural. Aplicando seu algoritmo, eles mostraram que várias redes de dispositivos de ponta da rede foram capazes de dissolver os vários ataques.

Os resultados demonstram que dispositivos de ponta da rede, como painéis solares de telhado, carregadores de veículos elétricos, baterias e termostatos inteligentes (para dispositivos HVAC ou bombas de calor) podem ser aproveitados para estabilizar a rede elétrica no caso de um ataque.

“Todos esses pequenos dispositivos podem fazer sua pequena parte em termos de ajuste de seu consumo”, diz o coautor do estudo Anu Annaswamy, um cientista pesquisador do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Se pudermos aproveitar nossas máquinas de lavar louça inteligentes, painéis de teto e EVs, e colocar nossos ombros combinados na roda, podemos realmente ter uma grade resiliente.”

Os coautores do estudo no MIT incluem o autor principal Vineet Nair e John Williams, além de colaboradores de diversas instituições, incluindo o Instituto Indiano de Tecnologia, o Laboratório Nacional de Energia Renovável e outros lugares.

O estudo da equipe é uma extensão de seu trabalho mais amplo em teoria de controle adaptativo e design de sistemas para se adaptar automaticamente a condições de mudança. Annaswamy, que lidera o Laboratório de Controle Ativo-Adaptativo no MIT, explora maneiras de aumentar a confiabilidade de fontes de energia renováveis, como a energia solar.

“Essas energias renováveis vêm com uma forte assinatura temporal, pois sabemos com certeza que o sol vai se pôr todos os dias, então a energia solar vai acabar”, diz Annaswamy. “Como você compensa o déficit?”

Os pesquisadores descobriram que a resposta pode estar nos muitos dispositivos de ponta que os consumidores estão cada vez mais instalando em suas casas.

Ao considerar maneiras de lidar com quedas de energia da operação normal de fontes renováveis, a equipe também começou a analisar outras causas de quedas de energia, como ataques cibernéticos. Eles se perguntaram, nessas instâncias maliciosas, se e como os mesmos dispositivos de ponta da rede poderiam intervir para estabilizar a rede após um ataque imprevisto e direcionado.

Em seu novo trabalho, Annaswamy, Nair e seus colegas desenvolveram uma estrutura para incorporar dispositivos grid-edge, e em particular, dispositivos de internet das coisas (IoT), de uma forma que daria suporte à grade maior no caso de um ataque ou interrupção. Dispositivos IoT são objetos físicos que contêm sensores e software que se conectam à internet.

Para sua nova estrutura, chamada EUREICA (Efficient, Ultra-REsilient, IoT-Coordinated Assets), os pesquisadores partem do pressuposto de que um dia, a maioria dos dispositivos de ponta da rede também serão dispositivos de IoT, permitindo que painéis de telhado, carregadores de veículos elétricos e termostatos inteligentes se conectem sem fio a uma rede maior de dispositivos igualmente independentes e distribuídos. 

A equipe prevê que para uma determinada região, como uma comunidade de 1.000 casas, existe um certo número de dispositivos IoT que poderiam potencialmente ser alistados na rede local da região, ou microgrid. Tal rede seria gerenciada por uma operadora, que seria capaz de se comunicar com operadoras de outras microgrids próximas.

Se a rede elétrica principal for comprometida ou atacada, os operadores executariam o algoritmo de tomada de decisão dos pesquisadores para determinar dispositivos confiáveis dentro da rede que podem ajudar a mitigar o ataque.

A equipe testou o algoritmo em vários cenários, como um ataque cibernético em que todos os termostatos inteligentes feitos por um determinado fabricante são hackeados para aumentar seus pontos de ajuste simultaneamente a um grau que altera drasticamente a carga de energia de uma região e desestabiliza a rede. Os pesquisadores também consideraram ataques e eventos climáticos que desligariam a transmissão de energia em vários níveis e nós em uma rede elétrica.

“Em nossos ataques, consideramos entre 5 e 40 por cento da energia sendo perdida. Assumimos que alguns nós são atacados, e alguns ainda estão disponíveis e têm alguns recursos de IoT, seja uma bateria com energia disponível ou um dispositivo EV ou HVAC que é controlável”, explica Nair. “Então, nosso algoritmo decide qual dessas casas pode intervir para fornecer geração de energia extra para injetar na rede ou reduzir sua demanda para suprir o déficit.”

Em todos os cenários testados, a equipe descobriu que o algoritmo foi capaz de reestabilizar a rede com sucesso e mitigar o ataque ou a falha de energia. Eles reconhecem que para colocar em prática tal rede de dispositivos de ponta da rede será necessária a adesão de clientes, formuladores de políticas e autoridades locais, bem como inovações como inversores de energia avançados que permitem que os EVs injetem energia de volta na rede.

“Este é apenas o primeiro de muitos passos que precisam acontecer em rápida sucessão para que esta ideia de mercados locais de eletricidade seja implementada e expandida”, diz Annaswamy. “Mas acreditamos que é um bom começo.”

Este trabalho foi apoiado, em parte, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Iniciativa de Energia do MIT.