XXIV SNPTEE Grupo VI - GCR (Grupo de Estudo de Comercialização, Economia e Regulação de Energia Elétrica) Curitiba, 25 de Outubro de 2017
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1 XXIV SNPTEE Grupo VI - GCR (Grupo de Estudo de Comercialização, Economia e Regulação de Energia Elétrica) Curitiba, 25 de Outubro de 2017 Integração de fontes renováveis e de armazenamento no Sistema Elétrico Brasileiro Saulo Cisneiros Diretor Técnico do Cigré-Brasil 1
2 Sumário 1. SIN - Características e Evolução 2. A Geração Intermitente no Brasil 3. Características da Geração Eólica 4. Características da Geração Solar 5. Inserção de Recursos de Storage no SIN 2
3 1. Características do SIN
4 O Sistema Interligado Nacional - SIN 4
5 Evolução do SIN 5
6 Integração dos Subsistemas e Bacias do SIN Nordeste Norte Sudeste / Centro-Oeste Sul 6
7 Características da Geração Hidráulica Interdependência entre bacias e usinas hidráulicas sob coordenação centralizada da operação do SIN Múltiplos proprietários: 57 empresas e 152 usinas (> 30 MW) em 14 bacias MW (DEZ/2016) 70 usinas com reservatório, 78 a fio d água e 04 de bombeamento 7
8 Principais características do SIN Dimensão Continental Predominante hidroelétrico com grandes usinas distantes dos centros de carga: Capacidade instalada de geração: 72% Produção anual depende das afluências Longas linhas de transmissão Números atuais: Capacidade instalada de geração: > MW Extensão das linhas de transmissão >=230 kv: > km Integração de novas fontes Grandes usinas a fio d água na região amazônica Inserção das fontes renováveis variáveis 8
9 Evolução da Matriz de Energia Elétrica por Fonte (*) > 84% de Energia Renovável 9
10 10
11 2. A Geração Intermitente no Brasil
12 Potência Instalada e Geração por País
13 Evolução da Capacidade Instalada de Eólica no SIN 13
14 Capacidade Instalada de Eólica no SIN 1,5 GW 6 GW 18 GW 10 GW Região Capacidade (MW) Sul Sudeste 28 Nordeste Norte 193 Total % 83% Capacidade instalada de todas as eólicas SET/
15 Localização e capacidade instalada de EOL - Brasil Nordeste Sul NE 83% MA 193 MW PI 5 o 1435 MW CE 4 o 1739 MW RN 1 o 3465 MW PB-98 MW PE-592 MW- 6 o PR 12 MW SC 117MW S 17% BA 2 o 1948 MW SE-35 MW RS 3 o 1770 MW Fonte: ANEEL, Google Earth
16 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% Frequência Cumulativo Fator de Capacidade - Dados médios horários dos últimos 2 anos - Nordeste Fator de capacidade no Nordeste - 2 Anos 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% Fator de Capacidade Frequência Cumulativo (%) 16
17 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50% 55% 60% 65% 70% 75% 80% 85% 90% 95% Frequência Cumulativo Fator de Capacidade - Dados médios horários dos últimos 2 anos - SUL Fator de capacidade no Sul - 2 Anos 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0% Fator de Capacidade Frequência Cumulativo (%) 17
18 Velocidade Média (m/s) Anual de Vento no Brasil Faixa velocidade de vento para operação das turbinas eólicas: 3m/s - 25m/s 18
19 Radiação Solar Média Anual no Brasil Radiação Solar: Wh/m 2.dia A 2ª mundial 19
20 Radiação Solar Média Mensal no Brasil Wh/m 2.dia 20
21 3. Características da Geração Eólica
22 Características Básicas da Geração Eólica (EOL) A Geração Eólica é intermitente e sazonal e apresenta alta incerteza e variabilidade a qualquer tempo, o que significa: Dificuldade de previsão por depender de uma variável meteorológica com alta incerteza Variações rápidas e significativas que dependem das condições meteorológicas Essas características causam as seguintes consequências imediatas e estratégicas: Mudança dos métodos e das ferramentas tradicionais usados no planejamento e operação dos sistemas elétricos Mudança dos procedimentos e requisitos para conexão dessas fontes aos sistemas elétricos Melhoria dos métodos e ferramentas para previsão de vento e da geração eólica 22
23 Geração Eólica como Fonte de Potência Além das suas características básicas, a EOL pode ser considerada como 2 fontes de geração: potência e energia. Como fonte de potência há uma grande variabilidade durante o dia: A máxima e a mínima geração podem ocorrer a qualquer momento do dia A EOL causa impactos negativos sobre o sistema elétrico o que requer medidas estruturais e operacionais 23
24 Geração Eólica como Fonte de Potência Geração diária de um parque eólico da Região Nordeste 24
25 Geração Eólica como Fonte de Potência 04/03/2014 Geração diária de um parque eólico da Região Sul 25
26 Geração Eólica como Fonte de Energia Como Fonte de Energia há uma característica sazonal, com a geração mensal variando durante o ciclo anual: Os maiores valores de geração ocorrem na 2ª parte do ano durante o período seco dos rios e bacias A geração mensal é muito mais previsível do que a geração diária e horária A produção anual das eólicas tem grande previsibilidade o que pode reduzir a necessidade por geração térmica e hidráulica Este benefício é tão maior quanto maior for o volume de geração eólica 26
27 Fonte de Geração Eólica: Potência X Energia A geração eólica com fonte de potência ou de energia tem impactos diferentes sobre o sistema elétrico Como fonte de potência causa impactos negativos enquanto que como fonte de energia agrega benefícios ao sistema de energia elétrica Esta contradição traz um grande desafio que é reduzir a sua grande variabilidade ao longo do dia A questão chave da geração eólica é: Como minimizar seus impactos negativos causados como fonte de potência e maximizar seus benefícios como fonte de energia? 27
28 Geração Eólica como Fonte de Energia FC Médio Mensal da EOL na Região NE 2014/
29 Geração Eólica como Fonte de Energia FC Médio Mensal da EOL na Região Sul 2014/
30 Medidas para melhorar o desempenho da Geração Eólica Reduzir a variabilidade Capacitar os geradores eólicos para participar do controle de frequência Melhorar os métodos e as ferramentas para previsão de vento e da geração eólica Melhorar o desempenho dos aerogeradores e plantas eólicas para resistir a impactos da rede 30
31 Medidas para reduzir a variabilidade das Plantas Eólicas Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede Agregar outras fontes em um mesmo site eólica + solar eólica + solar + biomassa eólica + solar + gás eólica + solar + baterias (storage local) Implementar parques eólicos em locais com condições ambientais e de vento adequadas Encontrar os melhores sites 31
32 Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede A geração agregada é menos variável do que a geração individual de cada parque 32
33 Agregar várias plantas em um mesmo ponto da rede A geração agregada é menos variável do que a geração individual de cada parque 33
34 4. Características da Geração Solar
35 Tecnologias para Geração Solar A exploração da fonte solar para geração de energia elétrica dáse por meio de duas tecnologias: Heliotérmica (Termossolar) O princípio básico é a utilização de superfícies espelhadas que refletem e concentram a irradiação solar direta, com o objetivo de convertê-la em energia térmica A partir daí gera-se vapor d água que irá acionar um ciclo Rankine Fotovoltaica Faz uso de elementos semicondutores fotossensíveis que convertem a irradiação solar em uma diferença de potencial nos terminais P-N A ligação elétrica desses terminais resulta na circulação de corrente contínua 35
36 Tecnologias para Geração Solar A Tecnologia Heliotérmica ainda se mostra pouco atrativa economicamente e, portanto, com menor utilização, porém apresenta as seguintes vantagens: Possibilidade de armazenamento da energia suficiente para assegurar a disponibilidade de plena potência ao sistema elétrico por até 12 horas após o pôr do sol Uso de geradores síncronos convencionais, com aumento dos requisitos de inércia e de nível de curto-circuito da área A Tecnologia Fotovoltaica tem se mostrado cada vez mais atrativa economicamente e, portanto, com maior utilização, porém apresenta as seguintes desvantagens: Depende efetivamente da presença da radiação solar Gera energia em CC o que requer o uso de conversores para conexão à rede elétrica 36
37 Desempenho dos módulos fotovoltaicos Principais fatores que influenciam a eficiência da conversão dos módulos fotovoltaicos: Temperatura Ambiente e Irradiação Solar Temperatura Ambiente O aumento da temperatura implica um pequeno aumento da corrente fotogerada, porém causa a diminuição da tensão de saída do módulo A diminuição da tensão com o aumento da temperatura é mais expressiva do que o aumento da corrente Como a geração de energia está relacionada ao produto V x I = P, o aumento da temperatura dos módulos implicará em uma perda de potência 37
38 Desempenho dos módulos fotovoltaicos Irradiação Solar Este fator é o mais importante para o valor da energia gerada A irradiação solar influencia diretamente na corrente elétrica fotogerada A relação entre a corrente de curto-circuito e a irradiação solar pode ser considerada praticamente linear Fato que não ocorre com a tensão nos terminais do módulo, pois apesar de ser diretamente proporcional à irradiação, essa relação não é linear, pois a temperatura do módulo não permanece constante, se houver variação da irradiação solar 38
39 Recordes de geração solar FV no dia 22/10/17 NE Média diária (12hs): 336 MWmed - FC=61% e Máxima diária às 13h36: 436 MW - FC=80% Potência Instalada: 547,2 MW 39
40 Características Básicas da Geração Solar A partir da observação das curvas de geração diária da central solar de Tacaratu podem ser feitas as seguintes constatações: A geração solar depende efetivamente da presença da Irradiação Solar. Sem ela não há geração Desta forma, à noite não há geração, e de dia o montante da geração depende da Irradiação Solar, intermitências provocadas por sombreamento de nuvens e eclipses do sol Os períodos de curvas ascendentes e descendentes da geração solar são muito mais previsíveis do que os da geração eólica Isto permite uma preparação antecipada das medidas operativas definidas na programação e executadas em tempo real Devem ser levadas em conta as previsões meteorológicas para os dias seguinte e corrente contemplando temperatura, chuvas e nebulosidades Os fenômenos de eclipses solares são raros e de previsão precisa, o que possibilita a definição de medidas prévias 40
41 6. Inserção de Recursos de Storage no SIN
42 Importância da Inserção de Storage Recursos de Storage têm um papel essencial na operação dos sistemas elétricos, pois a energia deve ser consumida quando produzida Os sistema elétricos precisam de flexibilidade das fontes de geração para possibilitar o balanço entre geração e carga A expansão das usinas hidráulicas sem reservatório e das fontes variáveis requer meios de Storage para acomodar os excedentes de geração dessas fontes a fim de serem aproveitados em outro momento quando este excedente desaparecer Recursos de storage viabilizam o controle da potência liberada pelas fontes variáveis e do fluxo de potência na rede de transmissão 42
43 Importância da Inserção de Storage First stage of British energy storage investment initiated (Energy Market Price - 24/07/2017) The first stage of the 246-million-pound investment into energy storage will be launched today by British MP Greg Clark. The investment is part of the government s plan to lift productivity in the energy sector. Prime Minister Theresa May came forward with the government s plans to develop the main branches of the industry, shift to clean energy and incorporate electric cars, to cope with Britain leaving the EU. The way in which a new center for battery research will be chosen is through the Faraday Challenge a race that will gather the best minds and will revive sectors of the energy industry that have declined over the years. 43
44 Propostas para Implantação de Storage Em parques eólicos e solares para controle da potência liberada por essas fontes em um mesmo site Nas redes de distribuição para controle do fluxo de potência, reduzindo o investimento para expansão dessas redes Nas redes de transmissão para controle do fluxo de potência, reduzindo o investimento para expansão da rede básica: No nível de 230 kv para controle do fluxo em áreas No nível de 500 kv para controle do fluxo em subsistemas regionais e nas interligações inter-regionais Nos reservatórios das usinas hidroelétricas para armazenar a energia excedente em nível sistêmico 44
45 Propostas para Implantação de Storage Nas redes de transmissão para controle do fluxo de potência: Definir a expansão da transmissão requerida para eliminar restrições ao escoamento da geração renovável Definir nos pontos de estrangulamento a implantação de meios de Storage para armazenar o fluxo excedente da geração renovável nos períodos em que for necessário Cotejar os investimentos requeridos para cada uma das opções: expansão da transmissão X implantação de Storage Os recursos de Storage passariam a ser uma nova opção a ser avaliada na expansão requerida da rede básica a ser cotejada com os meios convencionais 45
46 Propostas para Leilões Híbridos Realizar Leilões Híbridos para implantação de parques de energia eólica e solar de forma integrada em um mesmo site, visando aproveitar a riqueza de vento e sol da região NE do Brasil. Condicionantes: Agregar recursos de storage (armazenamento), por exemplo, batérias, de pelo menos 20% do montante da energia total O montante de energia contratada seria o conjunto eólica + solar + storage Os contratos de uso e de conexão da transmissão teriam valores de MUST global menores do que a soma da contratação individual por fonte Benefícios: Compartilhar a rede de conexão e de transmissão e a infraestrutura e recursos para operação dos parques; Obter ganhos de eficiência do parque gerador, tornando estes projetos mais competitivos; Reduzir o uso da rede elétrica e de seus investimentos; Reduzir as perdas de energia não gerada; Reduzir a variabilidade da geração, que é intrínseca às fontes solar e eólica; Controlar a potência liberada pelo parque gerador. 46
47 Obrigado! Saulo Cisneiros 47
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