Por que a inteligência artificial pode ser a chave para preparar a grade para o futuro

Um recente artigo de Conversa apontou que a mistura de eletricidade britânica em 2016 foi a mais limpa em 60 anos, com capacidade recorde de energia renovável, principalmente da energia eólica e solar. Mas um problema com essa grande expansão das energias renováveis ​​é que elas são intermitentes, o que significa que dependem das condições meteorológicas, como o vento soprando ou o brilho do sol. Ao contrário da energia convencional, isso significa que eles não podem necessariamente atender a picos de demanda. Daí muitas manchetes na imprensa nos últimos anos sobre as “luzes se apagando”.

Grade nacional, a operadora de rede do Reino Unido, tem várias maneiras de garantir que o suprimento sempre possa atender à demanda. Para lacunas mais curtas na geração, pede aos fornecedores de eletricidade que operem suas usinas convencionais abaixo da produção potencial máxima e aumentem conforme necessário.

Para lacunas mais longas, garante centrais elétricas, particularmente aqueles à base de gás, são mantidos em espera. Algumas estações podem ser solicitadas a gerar energia entre várias dezenas e algumas centenas de horas por ano. Além de contribuir para as emissões de carbono, operar usinas de energia para tais intervenções curtas é caro.

A questão é o que fazer com relação a esse problema. Poderíamos construir menos energia renovável e tornar a energia convencional "mais verde" removendo o CO₂ e enterrando-o no subsolo. As opiniões dividem-se sobre quando essas tecnologias de captura de carbono podem se tornar comercialmente viáveis ​​em grande escala. No Reino Unido, infelizmente, dois projetos de kickstart do governo fracassaram devido a preocupações com custos e divergências departamentais.

Uma alternativa é instalar baterias muito grandes (“escala da rede”), capazes de armazenar energia renovável para ser liberada quando necessário. Isso gerou muito interesse ultimamente. Mas, dados os custos da tecnologia atual da bateria, o armazenamento em escala de grade requer investimentos iniciais caros.

Soluções sob demanda

Enquanto os pesquisadores estudam esses problemas, o Reino Unido está desenvolvendo uma alternativa conhecida como resposta do lado da demanda. Um aspecto envolve recompensar certos consumidores de eletricidade por reduzir seu uso em um curto espaço de tempo. Isso pode variar de grandes clientes industriais a consumidores menores que usam energia para aquecimento de salas, resfriamento, iluminação ou mesmo refrigeração.

O outro aspecto da resposta à demanda envolve perguntar aos clientes quem possui equipamentos que podem armazenar energia para ajudar a equilibrar os picos de demanda. Por exemplo, os proprietários de uma casa equipada com painéis solares e armazenamento de bateria correspondente podem reduzir os custos de reembolso do equipamento, tornando as unidades de bateria disponíveis para a rede. Outros equipamentos nesta categoria incluem veículos elétricos e unidades de alimentação ininterrupta (UPS) de hospitais / universidades.

Ambos os tipos de resposta à demanda já estão acontecendo. Alguns clientes de energia industrial e algumas outras empresas, como operadoras de hotéis, têm contratos para redução de energia, enquanto a National Grid tem atraído muito interesse de licitantes para esquemas de armazenamento de energia e alguns estão em andamento em partes do país. Este armazenamento é uma alternativa para a implantação de baterias em grande escala, e promete ser muito mais econômico se pudermos fazê-lo funcionar em uma escala grande o suficiente.

O problema é que esses esquemas ficam mais complicados quando o pool de clientes ultrapassa um determinado tamanho. Saber quais clientes se inscrever e quais tarifas oferecer exige a compreensão de até que ponto os dispositivos estarão disponíveis e a que custo, por exemplo.

Depois que um grupo de clientes é configurado, alguns dispositivos podem nem sempre estar disponíveis para armazenamento ou redução da demanda quando necessário. Isso precisa ser levado em consideração nos cálculos para minimizar a interrupção da rede e incentivar os clientes a participarem nesses momentos.

Também pode haver efeitos indesejáveis, como grandes rebotes simultâneos no consumo. Por exemplo, muitos refrigeradores irão consumir energia extra para manter sua temperatura interna abaixo do nível necessário quando um período de resposta à demanda termina.

Finalmente, há um grande problema de segurança em potencial:um sistema central que coleta dados sobre o uso de energia de muitos dispositivos pode estar sujeito a ataques maliciosos e adulteração de informações. Isso poderia prejudicar o equilíbrio da rede e o controle do que é devido aos clientes.

Como a IA pode ajudar

As tecnologias de inteligência artificial emergentes parecem fornecer respostas a esses desafios. Para selecionar os melhores participantes, por exemplo, Os operadores da rede poderão usar técnicas sofisticadas de aprendizado de máquina para modelar o comportamento de dispositivos individuais e unidades de armazenamento de bateria, revisando dados de medidores e sensores inteligentes.

Uma vez inscrito para armazenamento em grade, deve ser possível estimar a vida útil de uma bateria ou unidade aplicando algoritmos de prognóstico a seus dados de carga / descarga. Os proprietários receberão uma compensação adequada, além do incentivo adicional de saber quanto tempo sua bateria vai durar.

Quando se trata de gerenciar dispositivos no pool, as pessoas costumavam pensar que poderíamos usar medidores inteligentes individuais ou dispositivos de controle para alimentar um servidor central na nuvem. Mas os medidores são caros e os curtos tempos de resposta exigem que o servidor de nuvem analise os dados em milissegundos, o que parece inviável uma vez que muitos milhares de unidades estão em uma piscina.

Uma alternativa é ter dispositivos de medição que detectam os próprios níveis de demanda na rede e reduzem a energia de acordo. Isso tira a pressão do servidor central e requer apenas medição no nível do site, em vez de para cada dispositivo elétrico. Mas ainda deixa você com um problema de controle complexo na coordenação de todas essas decisões individuais. Nós da Heriot-Watt estamos trabalhando em uma solução para isso usando algoritmos baseados em IA.

Outra linha de pesquisa de IA baseia-se em percepções da teoria dos jogos algorítmicos para desenvolver mecanismos de recompensa / penalidade que garantam que clientes suficientes no pool estejam dispostos a participar, e realmente responder quando necessário. Os pesquisadores também estão otimistas de que os protocolos de blockchain, usando a mesma tecnologia do Bitcoin, poderia sustentar um sistema de contabilidade descentralizado que contornaria o risco de segurança de ter um único ponto de armazenamento para os dados do usuário.

Numerosos grupos de pesquisa de IA, tanto no Reino Unido quanto em outros lugares, têm enfrentado esses desafios, embora várias start-ups tenham começado a desenvolver esses sistemas na prática - versões relativamente simples de aprendizado de máquina estão começando a ser usadas, por exemplo. O Reino Unido tem uma boa chance de estar na vanguarda dos esforços internacionais para tornar realidade uma resposta mais inteligente à demanda nos próximos anos.