O pulso oculto das redes elétricas: baterias sincronizadas explicam quedas a cada minuto

Durante anos, operadores de redes elétricas observaram um comportamento difícil de explicar: a frequência do sistema sofria uma pequena queda exatamente a cada 60 segundos. O sinal aparecia em países e continentes diferentes, com uma regularidade que não combinava com uma perturbação ocasional ou com uma falha localizada. Da Europa à Austrália, passando pelos Estados Unidos e pela Malásia, os registros indicavam o mesmo compasso.

A resposta foi encontrada por uma equipe liderada por Dirk Witthaut, pesquisador do Forschungszentrum Jülich, na Alemanha. O estudo começou depois que a Tennet Germany, maior operadora de transmissão do país, levou o problema aos pesquisadores. Foram necessários anos de análise, testes de campo e modelagem para relacionar as oscilações a uma rotina aparentemente banal: a verificação periódica do estado de carga de baterias estacionárias.

Os equipamentos envolvidos incluem sistemas de energia ininterrupta, conhecidos como UPS, instalados em centros de dados, além de baterias de grande porte usadas diretamente na rede elétrica. Cada unidade produz uma alteração pequena demais para chamar atenção quando considerada isoladamente. O problema surge quando inúmeros dispositivos realizam a mesma operação no mesmo instante, com relógios praticamente sincronizados por estarem conectados à internet.

Uma variação pequena, mas relevante

A frequência é um dos principais indicadores do equilíbrio de uma rede elétrica. Ela precisa permanecer dentro de uma faixa determinada para que produção e consumo se mantenham coordenados. Desvios maiores podem levar operadores a tomar decisões inadequadas ou sinalizar que o sistema está sob estresse. Caso as oscilações se ampliem, existe o risco de contribuir para apagões.

Mesmo quando não provocam uma interrupção no fornecimento, as quedas repetidas podem prejudicar equipamentos instalados em usinas. As turbinas hidrelétricas estão entre os componentes mais sensíveis, especialmente quando a rede apresenta oscilações de frequência ultrabaixa, conhecidas pela sigla UFLOs.

O primeiro caminho investigado por Witthaut e sua equipe foi justamente o das hidrelétricas. Turbinas vibram durante a operação e, quando uma vibração coincide com sua frequência de ressonância, o movimento pode se intensificar. A situação é comparável ao efeito de uma nota suficientemente forte sobre uma taça de vinho: em determinadas condições, a vibração aumenta até romper o vidro.

Para avaliar essa hipótese, os pesquisadores criaram um modelo computacional do sistema de controle de uma usina hidrelétrica conectada à rede escandinava. O modelo conseguiu reproduzir uma ressonância cujo pico ocorria uma vez por minuto. Ainda assim, a simulação não explicava a persistência observada nos registros reais.

O detalhe que apontou para os relógios

Em sistemas mecânicos, uma ressonância tende a surgir e desaparecer. O sinal elétrico associado costuma acompanhar esse comportamento. No caso estudado, porém, a queda retornava minuto após minuto, sem perder a regularidade. A repetição exata sugeria que havia algum mecanismo programado por tempo, e não apenas uma interação física espontânea.

A equipe decidiu então procurar uma fonte próxima. Mais de 80 medidores inteligentes de qualidade de energia foram instalados no campus de Jülich. O local oferecia uma amostra diversificada da infraestrutura que poderia influenciar as medições: linhas de distribuição de média e baixa tensão, transformadores, painéis solares, sistemas de armazenamento em baterias e fontes UPS.

Também havia no campus um computador de alto desempenho e computadores de escritório alimentados por unidades UPS menores. Os medidores acompanharam frequência, tensão, corrente e potência, coletando dados a cada três segundos. Essa resolução permitiu comparar o comportamento das instalações locais com o padrão identificado nas grandes redes.

O resultado apareceu no transformador conectado ao sistema de armazenamento em baterias. As medições registraram um pico de perturbação a cada minuto, reproduzindo a mesma cadência vista nas redes elétricas de maior escala. A descoberta deslocou o foco da investigação: o relógio dos equipamentos, e não apenas a dinâmica das turbinas, parecia ser a peça central do enigma.

Quando milhares de verificações acontecem juntas

Muitas baterias estacionárias verificam seu próprio estado de carga uma vez por minuto. A rotina existe tanto em sistemas UPS de centros de dados quanto em instalações de armazenamento em escala de rede. Cada consulta provoca uma alteração mínima no funcionamento do equipamento. Sozinha, ela é praticamente imperceptível no conjunto da rede.

O cenário muda quando várias unidades executam a mesma verificação no mesmo segundo. A conexão à internet mantém os relógios dos dispositivos em sincronismo quase perfeito. Assim, eventos pequenos e independentes deixam de se distribuir ao longo do minuto e passam a se concentrar no mesmo instante. A soma dessas perturbações produz o sinal periódico detectado pelos operadores.

Para verificar se os UPS eram de fato a principal fonte do fenômeno, Witthaut e os demais pesquisadores analisaram dados disponibilizados por operadores de redes. A evidência mais clara veio da Irlanda, onde os centros de dados se tornaram responsáveis por uma parcela expressiva do consumo nacional de eletricidade.

Em 2022, os centros de dados representavam 18% da carga da rede irlandesa. Cada instalação era atendida por uma frota de sistemas UPS, o que oferecia uma explicação plausível para o crescimento do sinal periódico. Entre 2016 e 2021, a queda de frequência observada minuto a minuto quadruplicou: passou de 3 mili-hertz, ou mHz, em 2016 para 12 mHz em 2021. Em registros mais recentes, alguns eventos superaram 20 mHz.

A margem da rede não é infinita

A rede da Irlanda opera a 50 hertz e foi construída para suportar variações de mais ou menos 200 mHz. O operador, no entanto, prefere limitar os desvios a 100 mHz. Uma queda de 20 mHz ainda representa uma parcela reduzida dessa margem, mas o valor não deve ser analisado isoladamente.

Os centros de dados não são as únicas cargas conectadas ao sistema. Outros equipamentos também podem provocar reduções momentâneas de frequência. Se esses efeitos coincidirem com o pulso coletivo produzido pelos UPS, a perturbação adicional pode empurrar a rede para mais perto de condições associadas a apagões.

Essa combinação ajuda a explicar por que um fenômeno aparentemente pequeno ganhou importância para os operadores. O risco não está necessariamente em uma única bateria ou em uma única checagem de carga. Ele está na escala, na simultaneidade e na repetição. À medida que mais equipamentos conectados são instalados, uma rotina de manutenção ou monitoramento pode adquirir impacto sistêmico.

Uma correção simples na programação

Os pesquisadores consideram que a causa pode ser eliminada sem retirar dos equipamentos a capacidade de monitorar suas baterias. A recomendação é que fabricantes de UPS e de sistemas de armazenamento em escala de rede deixem de programar todas as verificações exatamente no início de cada minuto. A introdução de alguma aleatoriedade nos horários distribuiria as perturbações ao longo do tempo.

Com as verificações desencontradas, cada equipamento continuaria acompanhando seu estado de carga, mas a rede deixaria de receber milhares de alterações simultâneas. A solução, portanto, depende sobretudo de uma mudança de software e de controle de temporização, não de uma substituição imediata da infraestrutura.

O estudo também mostrou que as baterias não são a única categoria de dispositivos capazes de produzir padrões semelhantes. Os pesquisadores testaram equipamentos da chamada internet das coisas e encontraram flutuações periódicas em aparelhos diferentes, entre eles um forno inteligente e conjuntos de Raspberry Pi.

Nesses casos, uma atualização de software poderia corrigir o comportamento. O desafio é garantir que ela seja aplicada. Muitos dispositivos de internet das coisas permanecem sem atualização por longos períodos. Um estudo citado pelos pesquisadores indicou que menos de 3% desses equipamentos utilizavam a versão mais recente do firmware.

Um problema que atravessa fronteiras

A eventual intervenção de reguladores pode exigir mudanças nos produtos vendidos e nas regras de conexão à rede. Contudo, medidas nacionais alcançariam apenas parte do problema. Os mesmos padrões foram observados em sistemas elétricos de diferentes países, e os dispositivos envolvidos podem ser fabricados em um lugar, instalados em outro e sincronizados por serviços conectados globalmente.

Por isso, a solução definitiva exigirá coordenação internacional entre fabricantes, operadores, reguladores e responsáveis por equipamentos conectados. Cada país pode agir sobre sua própria rede, mas a origem do comportamento está distribuída por uma infraestrutura tecnológica que não respeita fronteiras.

A investigação de Witthaut esclareceu por que as quedas apareciam com precisão quase mecânica a cada 60 segundos. O mistério deixou de apontar para uma anomalia inexplicável nas usinas e passou a revelar um efeito coletivo de dispositivos digitais fazendo a mesma tarefa ao mesmo tempo. A correção é tecnicamente simples, mas sua adoção pode levar anos, especialmente porque envolve equipamentos já instalados, atualizações de firmware e decisões coordenadas em escala global.