alt=City skyline at dusk with only a very few office building windows lit|direita|miniaturadaimagem| Toronto durante o apagão no Nordeste em 2003, que exigiu o arranque autónomo das centrais geradoras. O arranque autónomo (em inglês: black start) é o processo de restauração de uma central elétrica, de uma parte de uma rede elétrica ou de uma unidade industrial, para operação sem depender da rede externa de transmissão de energia elétrica para se recuperar de um desligamento total ou parcial.Knight, U.G. Power Systems in Emergencies - From Contingency Planning to Crisis Management John Wiley & Sons 2001 section 7.5 The 'Black Start' Situation
A energia para reiniciar uma estação geradora ou central pode vir de um gerador de reserva com arranque autónomo no local. Como alternativa, quando for necessária uma grande quantidade de energia, uma linha de ligação a outra central geradora ou a um gerador de emergência pode ser usada para arrancar a unidade. Depois de as principais unidades geradoras estarem a funcionar, a rede de transmissão elétrica poderá ser reconectada e as cargas elétricas restauradas.
A energia de arranque autónomo pode ser garantida por um acordo em que um fornecedor de energia específico é pago para disponibilizar energia de arranque a frio quando necessário. Nem todas as centrais geradoras são adequadas para fornecer energia de arranque autónomo para uma rede.
Energia de serviço da central Centrais geradoras de energia elétrica necessitam de energia elétrica para operar os sistemas necessários na central. Por exemplo, uma central movida a carvão requer transportadores, trituradores, compressores de ar e ventiladores de combustão para funcionar. Centrais de ciclo a vapor exigem bombas grandes para circular água para caldeiras a vapor e para arrefecer água condensada. Centrais hidroelétricas precisam de energia para abrir comportas de captação e ajustar as turbinas hidráulicas para regulação de velocidade. Até mesmo uma central de turbina eólica pode exigir uma quantidade relativamente pequena de energia elétrica para coisas como ajustar a inclinação e a direção das pás.
Normalmente, a energia elétrica utilizada na central é fornecida pelos próprios geradores da estação. Se todos os principais geradores da central estiverem desligados, a energia de serviço da estação será fornecida pela captação de energia da rede elétrica por meio da linha de transmissão da central. Entretanto, durante uma apagão de energia numa área ampla, não existe energia disponível da rede externa. Na ausência de energia da rede elétrica, é necessário realizar um arranque autónomo para colocar a rede elétrica em operação.
Fontes de energia de reserva Para fornecer um arranque autónomo, algumas centrais ou estações de energia têm pequenos geradores a diesel no local, normalmente chamados de geradores a diesel de arranque autónomo ("BSDG" na sigla em inglês), que podem ser usados para iniciar geradores maiores (de capacidade de vários megawatts), que por sua vez podem ser usados para dar iniciar os principais geradores da central de energia. As centrais geradoras que utilizam turbinas a vapor requerem energia de serviço da central de até 10% da sua capacidade para bombas de água de alimentação para caldeiras, sopradores de ar de combustão de tiragem forçada da caldeira e para preparação de combustível. Não é económico fornecer uma capacidade de reserva tão grande em cada central, portanto, a energia de arranque autónomo deve ser fornecida por meio de linhas de ligação designadas de outra central.
Frequentemente, centrais hidroelétricas são designadas como fontes de energia de emergência para restaurar as interconexões de rede. Uma central hidroelétrica precisa de muito pouca energia inicial para arrancar (apenas o suficiente para abrir as comportas de admissão e fornecer corrente de excitação às bobinas do campo do gerador) e pode colocar um grande bloco de energia em operação muito rapidamente para permitir o arranque de centrais de combustíveis fósseis ou nucleares. Certos tipos de turbinas de combustão podem ser configuradas para arranque a frio, proporcionando outra opção em locais sem centrais hidroelétricas adequadas.Philip P. Walsh, Paul Fletcher Gas turbine performance, John Wiley and Sons, 2004 , page 486 Em 2017, uma empresa de serviços públicos no sul da Califórnia demonstrou com sucesso a utilização de um sistema de armazenamento de energia baseado numa bateria de iões de lítio para fornecer um arranque autónomo, acionando uma turbina a gás de ciclo combinado a partir de um estado inativo.
Sequência de arranque Um método de arranque autónomo (com base num cenário real) pode ser o seguinte:
Uma bateria liga um pequeno gerador a diesel instalado numa central hidroelétrica. A energia do gerador a diesel é usada para colocar a central geradora em operação. As principais linhas de transmissão entre a central e outras áreas são energizadas. A energia da central é usada para iniciar uma das centrais de carga de base alimentadas por combustíveis fósseis/nucleares. A energia da central de carga de base é usada para reiniciar todas as outras centrais de energia do sistema. A energia é finalmente reaplicada à rede geral de distribuição de eletricidade e enviada aos consumidores.
Muitas vezes isto acontece gradualmente; iniciar a rede inteira de uma vez pode ser inviável. Em particular, após uma longa interrupção no verão, todos os edifícios estarão aquecidos e, se a energia fosse restaurada imediatamente, a procura somente das unidades de ar condicionado seria maior do que a rede elétrica conseguiria suprir. Em climas mais frios, um problema semelhante pode ocorrer no inverno com o uso de dispositivos de aquecimento.
Numa rede maior, além desta abordagem de “ilha única” ("de baixo para cima", em inglês: “bottom-up”), podem estar envolvidas diferentes estratégias:
múltiplas ilhas de geração (cada uma com energia local abastecendo áreas de carga locais) sincronizando e reconectando para formar uma rede completa. As centrais elétricas envolvidas têm de ser capazes de aceitar grandes variações de carga à medida que a rede é reconectada; ilha âncora ("núcleo") (também de baixo para cima); “ilha de espinha dorsal” (de baixo para cima): a espinha dorsal é restaurada primeiro, permitindo assim a assistência externa; de cima para baixo: espinha dorsal restaurada primeiro com assistência externa; uma combinação de abordagens de cima para baixo e de baixo para cima.
Existem vários métodos para iniciar um arranque autónomo numa ilha: barragens hidroelétricas, geradores a diesel, turbinas a gás de ciclo aberto, armazenamento de baterias em escala de rede, armazenamento de ar comprimido e assim por diante. Diferentes redes de geração adotam abordagens diferentes, dependendo de fatores como custo, complexidade, disponibilidade de recursos locais (por exemplo, vales adequados para barragens), interconectividade com outras redes de geração e tempo de resposta necessário para o processo de arranque autónomo.
Aquisição de serviços de arranque autónomo miniaturadaimagem| Uma operadora no ERCOT. No Reino Unido, o operador da rede tem acordos comerciais em vigor com alguns geradores para fornecer capacidade de arranque autónomo, reconhecendo que as instalações de arranque autónomo muitas vezes não são económicas no funcionamento normal da rede. É típico que centrais elétricas da era da Central Electricity Generating Board tenham uma série de turbinas a gás de ciclo aberto (ou seja, sem módulos de recuperação de calor acoplados) que podem acionar toda a central necessária para operar uma unidade geradora completa; elas normalmente seriam acionadas por geradores a diesel, alimentados por baterias de reserva. Uma vez em operação, estas turbinas a gás são capazes de alimentar toda a central associada ao restante da central elétrica, eliminando a necessidade de trazer energia de outras fontes.
Nos operadores de sistemas independentes da América do Norte, a aquisição de arranque autónomo varia um pouco. Tradicionalmente, a capacidade de arranque autónomo era fornecida por concessionárias integradas e os custos eram incluídos numa tarifa ampla para recuperação de custos dos contribuintes. Nas áreas que não fazem parte dos mercados organizados de eletricidade, este ainda é o mecanismo usual de aquisição. No ambiente desregulamentado, este legado de fornecimento baseado em custos persistiu, e mesmo as recentes revisões de práticas de aquisição de arranque autónomo, como a da ISO New England, não necessariamente mudaram para uma aquisição competitiva, embora as jurisdições desregulamentadas tenham uma tendência para soluções de mercado em vez de soluções de custo de serviço ("COS" em inglês).
Nos Estados Unidos, atualmente existem três métodos de obtenção de arranque autónomo. O mais comum é o custo do serviço, pois é o mais simples e o método tradicional. Atualmente é usado pelo Operador Independente do Sistema da Califórnia (CAISO), pela PJM InterconnectionSee PJM Tariff: Schedule 6A of the PJM Tariff, available online at: http://www.pjm.com/documents/downloads/agreements/tariff.pdf and Blackstart Business Rules, available online at: http://www.ieso.ca/Documents/consult/se16/se16_DACP-SWG-20060216-pjm-blackstart.pdf e pelo Operador Independente do Sistema de Nova IorqueSee the NYISO Accounting and Billing Manual, 2006, available online at: http://www.nyiso.com/public/webdocs/documents/manuals/administrative/acctbillmnl.pdf NYISO Ancillary Services Manual 2006, available at NYISO Tariff (2006) at Rate Schedule 5, starting page 91, Revised Sheet 311, and Rate Schedule 6, starting at Revised Sheet No. 269, available online at (NYISO). Os mecanismos exatos diferem um pouco, a mesma abordagem é usada, ou seja, as unidades são identificadas para arranque autónomo e os seus custos documentados são então financiados e incluídos numa tarifa para recuperação de custos.
O segundo método é um novo método usado pelo Operador Independente do Sistema da Nova InglaterraSee ISO-NE "Order Accepting Application" Docket No. ER03-291, Federal Energy Regulatory Commission, Issued Feb. 14 2003, available online at http://www.iso-ne.com/committees/comm_wkgrps/trans_comm/tariff_comm/mtrls/2006/may162006/index.html ISO-NE Open Access Transmission Tariff 2006 at p. 311, available online at ISO-NE A3 Black Start Working Group Memo to the NEPOOL Transmission Committee, May 9, 2006 available online at http://www.iso-ne.com/committees/comm_wkgrps/trans_comm/tariff_comm/mtrls/2006/may162006/index.html (ISO-NE). A nova metodologia é um pagamento fixo que aumenta a remuneração inicial para incentivar a provisão. A compensação mensal paga a um gerador é determinada pela multiplicação de uma taxa fixa (em $/kWano e chamada de valor $Y) pela Capacidade Mensal Reivindicada da unidade naquele mês. O objetivo desta mudança era de simplificar a aquisição e incentivar a prestação do serviço de arranque autónomo.
O método final de aquisição é a aquisição competitiva, conforme utilizado pelo Electric Reliability Council of TexasSee ERCOT Protocols Section 6, 2006 available online at: ERCOT's bidding form is available online at: http://www.ercot.com/mktrules/protocols/current/22-%28A%29BlackStart-050105.doc (ERCOT). Com esta abordagem, o ERCOT administra um mercado para serviços de arranque autónomo. Os participantes interessados enviam um custo de espera por hora em US$/hora (por exemplo, US$ 70 por hora), geralmente chamado de lance de disponibilidade, que não está relacionado com a capacidade da unidade. Usando vários critérios, o ERCOT avalia estas propostas e as unidades selecionadas são pagas conforme a proposta, presumindo uma disponibilidade de 85%. Cada unidade de arranque autónomo deve ser capaz de demonstrar que pode iniciar outra unidade próxima, para iniciar o ilhamento e a sincronização da rede.