ENFRENTANDO A TEMPESTADE PERFEITAUsinas a Fio d’Água, Renováveis e Mudanças Climáticas

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XIV CBE

Rio, 23 de outubro de 2012

Mario Veiga Rafael Kelman

Tarcisio Castropsr@psr-inc.com

Brasil: histórico de energia renovável

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Marmelos-MG (1889)

Fontes-RJ (1904)

24 MW

Parnaíba-SP (1901)

► Capacidade instalada: 120.000 MW

► Hidro: 75% da capacidade, 85% da produção de energia

Usinas em diversas bacias e com grandes reservatórios

Usinas em “cascata” com diferentes proprietários

Brasil: situação hidrelétrica atual

3

CEMIG

FURNAS

AES-TIETÊ

CESP

CDSA

Consórcios

COPEL

TRACTEBEL

ITAIPUBinacional

Rio Grande

Rio Paranaíba

Rio Tietê

Rio Paranapanema

Rio Iguaçu

CEMIG

FURNAS

AES-TIETÊ

CESP

CDSA

Consórcios

COPEL

TRACTEBEL

ITAIPUBinacional

Rio Grande

Rio Paranaíba

Rio Tietê

Rio Paranapanema

Rio Iguaçu

Source: ONS

Owner:

Um portfólio de hidrelétricas, eólicas e biomassa permite combinar economia de escala e flexibilidade

►Projetos de menor porte Diversifica os riscos de construção

e outros

►Espectro de investidores Capital local Fundos de investimento estrangeiros

►Menor tempo de construção Contrabalança a incerteza no crescimento da demanda

Futuro: portfólio de energia renovável

4

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

4,500

5,000

5,500

2008 2009 2010 2011 2012 2013

Capa

cida

d In

stal

ada

(MW

)

5

Source: PSR

Capacidade instalada de bioeletricidade

298

164

131 144

100 100

0

50

100

150

200

250

300

350

Proinfa LER 2009 LER 2010 LFA 2010 LER 2011 A-3 2011

Pric

e (R

$/M

Wh,

aug

ust 2

011

valu

es)

Eólicas: a boa surpresa nos leilões

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Complementaridade regional

7

Norte:Hidreletricidade

Nordeste:Energia eólica

SE/ CO:Bioeletricidade

Sul:Energia eólica

Sinergia hidrelétrica, biomassa e eólica

Os reservatórios das hidrelétricas e a rede de transmissão são usados para modular a produção de energia da biomassa e eólica (não é necessário backup como em outros países)

Os reservatórios das hidrelétricas e a rede de transmissão são usados para modular a produção de energia da biomassa e eólica (não é necessário backup como em outros países)

A biomassa e eólica “devolvem o favor” gerando mais no período seco das hidrelétricas(reservatório virtual)

A biomassa e eólica “devolvem o favor” gerando mais no período seco das hidrelétricas(reservatório virtual)

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Desafios

1. A questão dos reservatórios

2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências

3. Usos múltiplos

4. Licenciamento ambiental

5. Percepções equivocadas

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Desafios

1. A questão dos reservatórios

2. Efeito das mudanças climáticas nas afluências

3. Usos múltiplos

4. Licenciamento ambiental

5. Percepções equivocadas

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Por que as renováveis são competitivas no Brasil?

► No resto do mundo, as renováveis requerem subsídios

120 bilhões de Euros na Alemanha

► Razão: flutuações da produção de energia

Na Alemanha, é necessário ter 30.000 MW (!) de usinas térmicas de

“backup” para compensar a variação do vento

Por que o Brasil é diferente?

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Resposta: reservatórios + transmissão

► Os reservatórios das hidrelétricas compensam as flutuações

na produção das eólicas e a sazonalidade da biomassa

Requer uma rede de transmissão robusta, que já foi construída para

as hidrelétricas

Os “armazéns de energia” das hidrelétricas

são essenciais para a

viabilidade econômica das renováveis

12

0.51

0.06

0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 0.08 0.08 0.080.06 0.05 0.04 0.04 0.04 0.04

0.02 0.01 0.01 0.000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

Área

Inun

dada

/Pot

ênci

a In

stal

ada

(km

2/M

W)

A proibição dos reservatórios

A relação área/potência média das novas usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW

A relação área/potência média das novas usinas é 0,06 km2/MW, enquanto a média do Brasil em 2007 era 0,51 km2/MW

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As mega usinas a fio d’água

► Os três maiores novos projetos hidrelétricos do país – Santo

Antônio e Jirau, no Rio Madeira, e Belo Monte, no Xingu,

totalizando 18 mil MW de capacidade, são usinas “a fio

d’água”

► Isto não resultou de uma otimização econômica dos

projetos, e sim de restrições socio-ambientais

► A variabilidade das afluências a estas usinas é muito maior do

que a das usinas atuais

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Média da energia afluente mensal - Sudeste

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

GW

h

A energia afluente no mês mais “molhado” é 3,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”

A energia afluente no mês mais “molhado” é 3,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”

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EAF média mensal – usinas do rio Madeira

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

GW

h

A energia afluente no mês mais “molhado” é 7,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”

A energia afluente no mês mais “molhado” é 7,5 vezes maior do que a do mês mais “seco”

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EAF média mensal – Belo Monte

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

GW

h

A energia afluente no mês mais “molhado” é 25 vezes maior do que a do mês mais “seco” (!)

A energia afluente no mês mais “molhado” é 25 vezes maior do que a do mês mais “seco” (!)

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68 69 7380 83

8895

0

20

40

60

80

100 Vazão média futura como % da atual

Hidrelétricas e mudança climática

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Como gerenciar a volatilidade das afluências e das renováveis sem reservatórios?

► Com mais geração termelétrica

Compensa a falta de transferência de energia dos períodos úmidos

para os secos

► Isto resulta em maiores níveis de emissão

Nível de emissão em 2010: 22 tCO2/GWh de consumo

Nível de emissão em 2020: 72 tCO2/GWh de consumo

A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de regularização nos próximos dez anos levará a um aumento de 230% na emissão unitária de CO2

A perda de 10 pontos percentuais na capacidade de regularização nos próximos dez anos levará a um aumento de 230% na emissão unitária de CO2

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A biomassa e eólica podem substituir as térmicas?

► Como visto, as usinas a biomassa e as eólicas da região

Nordeste produzem mais energia nos períodos secos

► Portanto, elas compensam em parte a transferência de

energia dos reservatórios

► No entanto, tanto a biomassa como as eólicas não são

despacháveis

Esta função era exercida pelos reservatórios, e com a redução dos

mesmos, terá que ser exercida pelas termelétricas

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O dilema do planejamento

► Os estudos atuais de inventário eliminam a priori usinas com

reservatórios

Não há qualquer análise de tradeoff energia x impacto

ambiental

É como se os custos ambientais fossem infinitos, isto é, nem podemos

saber o que estamos ganhando ou perdendo

► Seria possível avaliar objetivamente estes tradeoffs?

21

22

Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais

1.Pré-processamento

2.Otimização da divisão de quedas

3.Resultados

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Pré-processamento

• Sistema de Informações Geográficas (GIS)

Modelo 3D do terreno

Inferência da rede de drenagem e identificação do rio

Definição dos locais candidatos

Curvas cota x área x volume para cada local

Simulação da áreas inundadas para diferentes quedas

• Regionalização das séries de vazões para os locais

candidatos

• Aplicação do manual de inventário para dimensionamento

das estruturas e cálculo automático de orçamentos

Modelos Digitais de Elevação (MDE)

► Representação 3D de uma superfície O modelo digital é representado internamente por uma matriz regular de células

Cada célula contêm a altitude associado a uma determinada coordenada

► MDEs disponíveis publicamente

ASTER GDEM – Global Digital Elevation Model

• Fonte: NASA

• Resolução espacial(*): 30 metros

SRTM

• Fonte: NASA

• Resolução espacial: 30 metros

(*) Dimensão de cada célula da matriz do modelo.

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MDE – Visão 3D

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Inferência da rede de drenagem em resumo

► Funções de geoprocessamento aplicadas ao modelo digital de elevação para

inferir a rede de drenagem

Modelo Digital de Elevação Rede de drenagem

Funções GEO

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Identificação do rio e definição dos locais candidatos

► Exemplo Rio Ivaí, Paraná.

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Locais candidatos

► Seções transversais e definição das barragens em cada local:

Barragem

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Locais candidatos

► Alternativas de barragens em cada local:

► Local: 22

► Queda Bruta: 10 metros

► Reservatório:

Área : 20,4 km2

Volume: 75,4 Hm3

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Locais candidatos

► Alternativas de barragens em cada local:

► Local: 22

► Queda Bruta: 20 metros

► Reservatório:

Área : 58,8 km2

Volume: 447,9 Hm3

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Perfil longitudinal e curva cota área do reservatório

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Definição e orçamento dos candidatos

1. Para cada local e altura de queda a simula-se a

construção de usina com arranjo pré-definido.

2. Análise da potência a ser instalada

3. O Manual de Inventário é utilizado para dimensionar as

estruturas

4. Um orçamento é feito para este projeto (SISORH)

O procedimento é repetido para cada local, alternativa de

queda e arranjo de engenharia.

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Avaliação dos tradeoffs energia x socioambientais

1.Pré-processamento

2.Otimização da divisão de quedas

3.Resultados

Problema de otimização

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► Maximização do PIB hidroelétrico da bacia hidrográfica

Análise benefício x custo onde o benefício é a valoração da

energia firme do conjunto de usinas por preço exógeno e custo

inclui obras civis, equipamentos, custos sócio ambientais, etc.

As variáveis de decisão incluem decisões de investimento

(projetos a construir) e decisões operativas (volumes

armazenados, vertimentos,. produção mensal, etc.)

Restrições socioambientais, interferência entre projetos, etc.

Abordagem: formulação como grande problema de

otimização não linear inteira

Estudo de caso: Rio Ivaí (Paraná)

► Solução:7 usinas (690 MW de potencia)

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Local (#)NA Max

Operativo (m)

NA Médio do Canal de Fuga

(m)

Queda Bruta (m)

Capacidade Instalada

(MW)

18 301 285 16 103

23 326 301 25 138

34 356 337 19 76

40 381 356 25 89

48 405 381 24 83

55 463 405 58 153

76 502 471 31 48

Divisão de quedas (plano)

36

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MUITO OBRIGADO