PROJEÇÕES PARA O SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO BASEADO NOS CENÁRIOS RCP4.5 E RCP8.5 DO IPCC-AR5

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1 PROJEÇÕES PARA O SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO BASEADO NOS CENÁRIOS RCP4.5 E RCP8.5 DO IPCC-AR5 Cleiton da Silva Silveira 1 * & Francisco de Assis de Souza Filho 2 Francisco Chagas Vasconcelos Júnior 3 Samuellson Lopes Cabral 4 Francisco Wellington Martins da Silva 5 Resumo Este trabalho tem por objetivo analisar como as mudanças climáticas afetam as vazões e a energia natural afluente (ENA) dos postos produtores de hidroeletricidade do Brasil. Para tanto, foram utilizados os dados dos modelos globais do quinto relatório do Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC-AR5). A análise foi feita considerando o período de 2040 a 2069, para os cenários RCP4.5 e RCP8.5, em relação à 1950 a As vazões foram geradas para 24 bacias a partir do modelo hidrológico Soil Moisture Account Procedure (SMAP), sendo inicializado por precipitações corrigidas estatisticamente a partir dos dados de chuva mensal do Climatic Research Unit (CRU) e por estimativas de evapotranspirações potenciais utilizando o método de Penann- Mothieth. As vazões dos demais 182 postos do Sistema Interligado Nacional (SIN) foram obtidas utilizando regressões lineares mensais, considerando os postos com vazões obtidas pelo SMAP como variáveis preditoras. A ENA foi obtida para cada um dos subsistemas que compõem o SIN. Os modelos indicam que o setor elétrico brasileiro pode sofrer reduções nas vazões médias anuais na maioria das bacias. Essa diminuição sugere uma redução na ENA do SIN. Entretanto, no subsistema Sul a maioria dos modelos projeta aumento da ENA. Palavras-Chave setor elétrico brasileiro, mudanças climáticas e IPCC-AR5. PROJECTIONS FOR THE BRAZILIAN HYDROPOWER UNDER RCP4.5 AND RCP8.5 SCENARIOS OF IPCC - AR5 Abstract This study aims to analyze how climate change affects the streamflows and natural affluent energy (NAE) of hydroelectric power plants in Brazil. Therefore, data from global models of the fifth report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC-AR5) were used. The analysis considered the period from 2040 to 2069, under RCP4.5 and RCP8.5 scenarios, in relation to Streamflows were generated for 24 basins of the National Interconnected System (NIS) by using the hydrological model Soil Moisture Account Procedure (SMAP). The model was initialized by monthly precipitation bias-removed from the Climatic Research Unit (CRU) and estimated potential evapotranspiration using Penann-Mothieth method. Streamflows in the other 182 stations of the NIS were obtained using linear regression with monthly streamflow computed by SMAP as predicted variables. NAE was computed for each subsystems of the NIS. The models indicate that the Brazilian hydropower system may suffer reductions in annual streamflow on most basins. This decreasing also suggests a reduction in the annual mean NAE values in the NIS. However, on Southern subsystem most models projected increase in NAE. Keywords Brazilian hydropower, climate change e IPCC-AR5. 1 Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira (UNILAB), Instituto de Engenharia e Desenvolvimento Sustentável (IEDS), cleitonsilveira@unilab.edu.br; 2 Universidade Federal do Ceará (UFC), Programa de Pós Graduação em Engenharia Hidráulica e Ambiental (POSDEHA), assis@ufc.br; 3 Universidade Federal do Ceará (UFC), Programa de Pós Graduação em Engenharia Hidráulica e Ambiental (POSDEHA), juniorphy@gmail.com; 4 Centro Nacional de Monitoramento e Alerta de Desastres Naturais (CEMADEN), samuellson.cabral@cemaden.gov.br; 5 Universidade da Integração Internacional da Lusofonia Afro-Brasileira, Instituto de Engenharia e Desenvolvimento Sustentável (IEDS), martinswellington29@yahoo.com.br XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 1

2 1. INTRODUÇÃO As mudanças climáticas podem produzir grandes impactos sobre os recursos hídricos. O aquecimento observado nas últimas décadas podem causar mudanças no ciclo hidrológico, por meio de modificações dos padrões de precipitação e evapotranspiração que podem impactar diretamente a umidade do solo, a reserva subterrânea e a geração do escoamento superficial. Esses aspectos associados a um aumento da demanda por água, projetados para as próximas décadas, principalmente devido ao crescimento populacional e aumento da riqueza; regionalmente, poderão exercer grande pressão nos hidrossistemas brasileiros. O Painel Intergovernamental sobre Mudança do Clima (IPCC) aponta que a mudança do clima impõe uma grande ameaça ao desenvolvimento sustentável, por afetar de forma direta e indireta grande parte da população, sua saúde, os recursos hídricos, a infraestrutura urbana e rural, as zonas costeiras, as florestas e a biodiversidade, bem como os setores econômicos como agricultura, pesca, produção florestal, geração de energia, indústrias além das cadeias destes setores. O IPCC aponta impactos de grande magnitude sobre a América do Sul, em especial sobre recursos hídricos e setores econômicos relacionados, impondo ao governo brasileiro a necessidade de formular e implementar medidas de adaptação, com vistas a gerenciar riscos climáticos e responder de forma tempestiva aos prováveis impactos decorrente da mudança global do clima. Desta forma, torna-se fundamental a elaboração de subsídios ao planejamento nacional de longo prazo que incorpore a mudança do clima. A matriz energética brasileira é basicamente constituída por energias consideradas limpas, principalmente provenientes de hidroelétricas. A hegemonia da hidroeletricidade na matriz de energia elétrica brasileira impõe cautelosa análise sobre o regime fluvial e seus padrões de variação temporal, tendo em vista o significativo impacto que estas variações podem produzir na oferta de energia, e consequentemente, em toda a economia nacional (ALVES et al., 2013). Diante disso, existe uma demanda pelo Estado e pelas empresas privadas por informações climáticas para tomada de decisão ao nível regional/local de médio e longo prazo. Informações de variabilidade e mudanças climáticas de qualidade podem tornar o planejamento energético mais eficaz e minimizar os potenciais impactos sobre a disponibilidade deste recurso (SILVEIRA, 2014). O objetivo do presente trabalho é analisar como as mudanças no clima podem afetar as vazões e a energia natural afluente do setor elétrico brasileiro. Para tanto foram utilizados os dados dos cenários RCP 4.5 e RCP 8.5, o modelo hidrológico chuva-vazão SMAP e o método de estimativa de evapotranspiração potencial Penman- Monteith. 2. METODOLOGIA Esta seção mostra os cenários do IPCC-AR5 utilizados e sucintamente como as vazões foram obtidas. E através da produtividade em MWmed/m³/s, mostra como é estimada a energia natural afluente (ENA), desta forma é possível quantificar a sensibilidade da oferta de energia à variabilidade e as (às) mudanças climáticas O Sistema Interligado Nacional (SIN) O Sistema Interligado Nacional (SIN) responde pela produção e transmissão de energia elétrica do Brasil. É um sistema hidrotérmico de grande porte com predominância de usinas hidroelétricas, onde apenas 3,4% da capacidade de produção de eletricidade do país encontram-se fora do SIN, em pequenos sistemas isolados localizados principalmente na região amazônica (ALEXANDRE, 2012). XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 2

3 Em razão das metodologias e critérios atualmente adotados na previsão de vazões, pode-se não utilizar a disponibilidade de vazões mensais para alguns locais de aproveitamentos em operação. Para tanto, adota-se, em geral, a realização de previsão de vazões para um subconjunto de aproveitamentos de cada bacia, denominados de Postos Base. No restante dos locais de aproveitamento, as vazões são previstas através de regressões lineares mensais a partir dos dados previstos nos Postos Bases para complementar as previsões de vazões para todo o SIN (ALEXANDRE, 2012). A ONS trabalha, atualmente, com um número total de 88 Postos Base representativo dos diversos regimes hidrográficos regionais encontrados em território brasileiro. Até o fim de 2010 o SIN contava com 206 séries de vazões naturais devidamente consistidas divididas em 185 pontos de aproveitamento no sistema, alguns representam aproveitamentos em operação e alguns representam a expansão prevista até o fim do ano de 2015 (usinas planejadas ou em construção para verificação do seu comportamento individual e inserida no Sistema). Com essa estrutura descrita é prevista uma potência instalada em hidroelétricas de MW para o final deste ano (2015). Desta forma, verifica-se que um mesmo aproveitamento hidroelétrico pode conter mais de um posto fictício, utilizado com objetivo de representar diferentes configurações e/ou critérios de operação e planejamento do Sistema. Todos os postos fictícios possuem uma série de vazões naturalizadas (VNA), até o fim de 2010 o SIN contava com 206 postos fictícios, conforme é mostrado em (ALEXANDRE, 2012) Modelos do IPCC-AR5 Os dados provenientes do CMIP5 são resultados de simulações de modelos globais de alguns centros de pesquisa que contribuem para confecção do quito relatório do IPCC (AR5), forçadas pelas concentrações observadas de gases de efeito estufa durante o século XX e projeções para o século XXI. Para cada modelo foram considerados diferentes membros, conforme disponibilizados pelo CMIP5 e dispostos na Tabela 1. O IPCC-AR5, conta com os cenários chamados RCPs (Representative Concentration Pathways), que servem como entrada para modelagem climática e química atmosférica nos experimentos numéricos do CMIP5. Os RCPs recebem seus nomes a partir dos níveis das forçantes radiativas, conforme relatado por cada equipe de modelagem elaboradora de cada RCP. Assim, RCP-X implica um cenário no qual a forçante radiativa de estabilização ou de pico ou ao final do século XXI corresponde a X W.m -2. Neste trabalho foram usados os cenários RCP4.5 e RCP8.5 para análise das projeções do século XXI. O cenário RCP4.5 assume que a forçante se estabilizará antes e forçando estabiliza pouco depois de 2100, sem ultrapassar o nível de radiação a longo prazo de 4,5 W / m 2. Essas projeções são consistentes com baixa intensidade energética, programas de reflorestamento fortes e à menor utilização das terras agrícolas, políticas climáticas rigorosas, as emissões de metano estáveis e as emissões de CO 2 aumentam ligeiramente até 2040 e, em seguida, atingir o valor alvo de 650 ppm de CO 2 equivalente no segundo semestre de o século 21. O RCP8.5 cenário sugere um crescimento contínuo na população associada com o desenvolvimento tecnológico lento, resultando em acentuadas das emissões de dióxido de carbono. Este cenário é considerado o mais pessimista para o século 21 em termos de emissões de gases com efeito de estufa, sendo consistente com nenhuma mudança de política para reduzir as emissões, o rápido aumento das emissões de metano e forte dependência de combustíveis fósseis. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 3

4 Table 1 Modelos considerados na análise e cenários do século XXI utilizados. Modelos Cenários bcc-csm1-1 RCP 4.5; RCP 8.5 BNU-ESM RCP 4.5; RCP 8.5 CanESM2 RCP 4.5; RCP 8.5 CESM1-BGC RCP 4.5; RCP 8.5 CSIRO-Mk3-6-0 RCP 4.5; RCP 8.5 GFDL-ESM2M RCP 8.5 GISS-E2-R RCP 8.5 HadGEM2-AO RCP 8.5 HadGEM2-CC RCP 8.5 HadGEM2-ES RCP 4.5; RCP 8.5 IPSL-CM5A-LR RCP 4.5; RCP 8.5 IPSL-CM5A-MR RCP 4.5; RCP 8.5 MIROC5 RCP 4.5; RCP 8.5 MIROC-ESM RCP 4.5; RCP Obtenção das vazões A metodologia de obtenção das vazões divide-se, basicamente, em cinco etapas: a primeira etapa consiste em selecionar as bacias representativas que contemple espacialmente a maior parte do SIN, foram selecionadas 24 bacias, dispostas como a Figura 1 e espalhadas pelos quatro subsistemas que compõem o SIN. Em seguida são selecionados os dados de estações do INMET no período de 1992 a 2007 (precipitação, insolação, temperatura, umidade etc), para calibração dos parâmetros do modelo hidrológico Soil Moisture Accounting Procedure - SMAP (LOPES et al.,1982). Para tanto, foi utilizado um procedimento de otimização objetivo com base no Nash-Sutcliffe, ao comparar a série de vazões obtidas pelo SMAP com a série disponibilizada pelo ONS; a segunda etapa consiste na obtenção das precipitações dos modelos globais do IPCC-AR5 para os cenários Historical, RCP 4.5 e RCP 8.5 para 24 bacias de interesse, para posterior correção estatística para remoção de viés usando a função de distribuição gama. Essa correção utilizou como base de dados a série estimada pela University of East Anglia/Climate Research Unit (CRU) (NEW et al., 2001). Para o cenário Historical foi utilizada a série mensal de 1950 a 1999 comparado ao CRU com 0,5 por 0,5, enquanto para os RCP s foi utilizado o período de 2040 a 2069; a terceira etapa consiste em obter as evapotranspirações potenciais a partir dos modelos globais do IPCC-AR5 para os cenários Historical, RCP 4.5 e RCP 8.5, usando o método de Pennan- Motheih (ALLEN et al., 1998). Para tanto foram usados como dados de entrada as temperaturas máxima, mínima e média dos modelos globais do IPCC-AR5; Já na quarta etapa foram obtidas as vazões usando modelo hidrológico concentrado SMAP em 24 postos, tendo como dados de entrada as evapotranspirações estimadas e as precipitações com viés removido; A quinta etapa consiste em obter as vazões estimadas a partir dos dados dos modelos globais para os postos que não possuem o modelo hidrológico calibrado, para tanto foram utilizados regressões mensais a partir dos postos que possuem o SMAP calibrado. Para realizar esse procedimento foram utilizadas as series mensais de vazões naturalizadas disponibilizadas pelo ONS no período de 1931 a As séries de vazões do ONS foram divididos em dois grupos: um contendo 24 postos e outro contendo 182. Sendo as vazões mensais dos 24 XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 4

5 postos usadas como preditoras dos demais postos. Logo, foram obtidos os parâmetros da regressão dos 182 postos usando stepwise. Com as vazões dos modelos globais do IPCC-AR5 estimadas pelo SMAP para as 24 bacias e com os parâmetros gerados para os outros 182 postos, foram estimadas as vazões dos 202 postos que compõem o SIN. Figura 1 Bacias para onde o modelo SMAP foi calibrado Cálculo da Energia Natural Afluente (ENA) O amplo sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil Sistema Interligado Nacional (SIN) implica numa grande diversidade de regiões, que possuem influencias climáticas de vários fenômenos meteorológicos. Devido a isso, várias bacias possuem comportamentos sazonais distintos, a fim de se aproveitar ao máximo os recursos energéticos existentes no País e a sazonalidade hidrológica própria de cada região. O sistema é dividido em quatro subsistema: Sudeste/Centro-Oeste, Sul, Norte e Nordeste. Estes subsistemas são interligados por uma extensa malha de transmissão que possibilita a transferência de excedentes energéticos e permite a otimização dos estoques armazenados nos reservatórios das usinas hidroelétricas. A partir das vazões mensais de cada aproveitamento hidroelétrico estimam-se as vazões naturais afluentes, a partir do diagrama esquemático mostra em ONS (2012). A ENA foi calculada a partir das vazões naturais e das produtividades equivalentes ao armazenamento de 65% do volume XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 5

6 útil dos reservatórios dos aproveitamentos hidroelétricos (ONS, 2010). Os valores da ENA podem ser calculados em base diária, semanal, mensal ou anual e, também, por bacia e por subsistema, de acordo com os sistemas de aproveitamentos hidroelétricos existentes nas configurações de bacias hidrográficas e de subsistemas elétricos, com uso das seguintes expressões: [ ] (1) Onde, t=intervalo de tempo de cálculo da ENA. i= aproveitamento pertencente ao sistema de aproveitamentos da bacia considerada; Q nat = Vazão natural do aproveitamento no intervalo de tempo considerado; p = produtividade média do conjunto turbina-gerador do aproveitamento hidrelétrico, referente à queda obtida pela diferença entre o nível de montante, correspondente a um armazenamento de 65% do volume útil, e o nível médio do canal de fuga. j= aproveitamento pertencente ao sistema de aproveitamentos do subsistema considerado; m= número de aproveitamentos existentes no sistema de aproveitamentos 3. RESULTADOS A Figura 2 indica o comportamento das anomalias nas vazões médias anual pelos modelos para o períodos de 2040 a 2069 para os cenários RCP4.5 e RCP 8.5 em relação ao período de 1950 a 1999 dos modelos globais do CMIP5. As projeções sugerem maiores reduções de vazão no cenário RCP8.5 do que RCP4.5 para a maioria das bacias. As projeções de vazão anual sobre o setor Sul revelam um ligeiro aumento no período para ambos os cenários (Figuras 2 e 3). No entanto, o cenário RCP 8.5 apresenta maiores anomalias positivas do que o RCP4.5 (este cenário aponta mediana próximo a zero em D. Francisca, Itá e Santa Cecília). Para as bacias do subsistema Norte a maioria dos modelos indicaram projeções negativas para as vazões anuais médias no período de 2040 a Contudo no extremo norte, a mediana dos modelos aponta anomalias próximos a zero neste período(figura 3a e 3b). Mesmo assim as projeções da ENA mostram forte diminuição no meio século tanto para o RCP4.5 como para o RCP8.5, como mostra a Figura 5a-b. Modelos como o CanESM2 e GISS-E2-R apontam para anomalias negativas abaixo de -20% e -30% para os cenários RCP 4.5 e 8.5, respectivamente. Estes resultados, mesmo inseridos dentro da incerteza das projeções dos modelos, indicam grande risco atrelado a matriz energética brasileira. Nas bacias do subsistema Nordeste, os modelos analisados indicam redução das vazões na bacia de Sobradinho e Xingó no cenário RCP4.5, com medianas entre os modelos alcançando -15% e -35%, respectivamente (Figura 3a-b). Majoritariamente, as projeções de ENA refletem a diminuição das vazões, obtendo diminuição na energia produzida de 30-40% no RCP4.5 com divergência nos modelos em relação ao cenário 8.5, com dois modelos apontando anomalias positivas acima de 20% e o restante diminuição entre 20 e 40%. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 6

7 Figura Figura 2 - Anomalia percentual das vazões médias anuais dos modelos do IPCC-AR5 para bacias do setor hidrelétrico brasileiro onde são utilizados o modelo SMAP, para os cenários RCP 4.5 (a) e RCP 8.5 (b) no período de 2040 a Figura 4- Anomalia percentual das vazões médias anuais dos modelos do IPCC-AR5 para os aproveitamentos do setor hidrelétrico brasileiro para os cenários RCP 4.5(a) e RCP 8.5(b) no período de 2040 a Figura 5- Anomalia percentual da ENA média anual dos modelos do IPCC-AR5 para os subsistemas do SIN para os cenários RCP 4.5(a) e RCP 8.5(b) no período de 2040 a XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 7

8 4. CONCLUSÕES A maioria dos modelos indica que o setor elétrico brasileiro pode sofrer reduções nas vazões médias anuais para a maioria das bacias do setor elétrico do Brasil. Essa diminuição sugere uma redução na ENA do SIN no período analisado. No setor Sul os modelos sugerem aumento nas vazões, associado a reduções nas bacias que se aproximam da região Sudeste do país, indicando um possível aumento na ENA do subsistema. No setor Sudeste/Centro-oeste os modelos indicam margens que sugerem uma maior possibilidade de reduções nas vazões médias anuais ou leve aumento. Já no setor Nordeste há também uma tendência de reduções, porém há uma maior incerteza entre os modelos e não há convergência da magnitude da anomalia, este comportamento fica evidente na bacia do Xingó que apresenta grandes divergências nas anomalias de vazões médias anuais no período analisado. Para o setor Norte, os modelos indicam uma maior possibilidade de reduções ou normalidade nas bacias, sendo está diminuição mais significativa para o cenário RCP 8.5, principalmente em Belo Monte. A possível redução nas vazões indicada pela maioria dos modelos sugere que as mudanças climáticas somadas ao crescimento da demanda energética do Brasil podem levar a investimentos em energias não renováveis, devido ao risco de não atendimento dos usuários com atual matriz energética. Esse tipo de ação pode criar um feedback positivo para a mudança climática e intensificar seus efeitos sobre todo o sistema climático e, consequentemente, sobre o país. 5. REFERENCIAS a) Livro ALEXANDRE, A. M. B. (2014). Previsão de vazões mensais para o sistema interligado nacional utilizando informações climátuicas. Tese de doutorado. Universidade Federal do Ceará, 293p. SILVEIRA, C.S. (2014). Modelagem integrada de meteorologia e recursos hídricos em múltiplas escalas temporais e espaciais: aplicação no Ceará e no setor hidroelétrico brasileiro. Tese de doutorado. Universidade Federal do Ceará, 351p. b) Artigo em revista ALLEN, R.G., PEREIRA, L.S., RAES, D. & SMITH, M. (1998) Evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements. Rome: FAO, 1998, 297p. FAO. Irrigation and Drainage Paper. ALVES, B. C. C.; SOUZA FILHO, F. A.; SILVEIRA, C. S. (2013) Análise de tendência e Padrões de Variação das séries históricas de vazões do Operador Nacional de Sistemas(ONS). Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 18, n. 4, p LOPES, J. E. G.; BRAGA, B. P. F.; CONEJO, J. G. L. (1982) SMAP - A simplified hydrological model, applied modelling in catchment hydrology, Ed. V.P.Singh, Water Resources Publications. NEW, M., LISTER, D., HULME, M., MAKIN, I. (2001) A high-resolution data set of surface climate over global land areas. Climate Research 21, 1-25,. SILVEIRA,C.S. ; SOUZA FILHO, F. A. ; LOPES, J. E. G. ; BARBOSA, P. S. F. ; TIEZZI, R.O.(2013) Análise das projeções de vazões nas bacias do setor elétrico brasileiro usando dados do IPCC-AR4 Para o século XXI. Revista Brasileira de Recursos Hídricos, v. 19, p c) Outros ONS- Submódulo 23.5: Critérios para estudos hidrológicos (2010). Operador Nacional do Sistema- ONS. Brasília.12p. ONS- Programa Mensal de Operação (PMO)- Relatório de Previsão de vazões e geração de cenários de afluências. Operador Nacional do Sistema-ONS. Brasília.32p. XXI Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos 8