Estrutura de um Sistema Elétrico

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1 Estrutura de um Sistema Elétrico Fernando Umbria 12 de dezembro de 2018

2 Agenda Características gerais, conceitos e terminologias importantes Fundamentos da operação do sistema elétrico A importância do planejamento setorial As principais fontes de energia e suas características Matriz de energia elétrica brasileira e um comparativo com a matriz elétrica no mundo A evolução do setor elétrico nos últimos 20 anos

3 Estrutura básica do sistema elétrico (dez/2018) usinas Capacidade Instalada: 161 GW (2.142 UTE OD; UFV 5,8 GW, 3,6%) Consumidores (882 livres; especiais) 2018: +8 CL; +459 CE CONSUMIDOR LIVRE 260 comercializadoras 100 ativas no mercado Rede Básica 230 kv 145 mil km em linhas 8 empresas = 80% da RB Rede 138 kv 64 distribuidoras 130 cooperativas de eletrificação rural 83 milhões de UC (consumidor cativo) GD Usinas: UC s: Pot. inst.: 575,89 MW UFV: (474,25 MW) CGH, EOL, UTE: 244 (101,62 MW)

4 Lei nº 7.990/ / /00 e 9.993/00 Compensação Financeira Marco Legal do Setor Elétrico Lei nº 9.609/95 c/c /01 Plano Real Lei Nº 9.478/97 CNPE e Políticas de Energia (Petróleo) Implantação da ANEEL Constituição Federal (art. 175) Lei Nº8.631/93 Início da competição Lei nº8.987/95 Incremento da competição Lei Nº 9.074/95 Reestruturação da Eneriga Elétrica PIE e CLivres Lei Nº 9.427/96 ANEEL Lei Nº 9.648/98 ASMAE e ONS Contratos iniciais e Reestruturação Lei nº 9.784/99 Proced. na Adm. Pública Lei nº 9.991/00 Efic. Energ. Lei nº 9.986/00 RH - Agências Lei nº /02 MAE GCE MP nº 2.198/01 ago/01 a mar/02 Lei nº /02 Expansão da Oferta RTE e Leilões Lei nº /03 Programa Emergencial de Apoio e Leilões Lei nº /04 EPE Lei nº /04 Novo Modelo Lei nº /04 RH - Agências 2007 Lei nº /01 Câmaras Comercialização Lei nº /01 Política Cons. e Uso de Energia Lei nº /01 Bônus da GCE Lei nº /02 Empréstimos Baixa Renda e comercialização Lei nº /03 CCC isol Lei nº /04 PPPs Lei nº Criação do REIDI 2009 Lei nº /09 Participação da União no FGEE Lei nº /09 Serviços de Energia Sistemas Isolados Lei nº /10 Tarifa Social de Energia Elétrica... Lei nº / Lei nº /15 Repactuação do risco hidrológico e bonificação de outorga Instrutor: Fernando Renov. Umbria de concessões, redução Curso: Estrutura de e encargos Funcionamento e tarifas de do energia Setor de Energia Elétrica Lei nº /16 Aplic. Efic. Energ. Lei nº /16 Alterações diversas Lei nº /16 Alterações diversas

5 Instituições do setor elétrico CNPE Conselho Nacional de Política Energética Dec. n O 3520/2000 CMSE Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico Dec. n O 5175/2004 CNPE CMSE MME EPE ANEEL ONS CCEE MME Ministério de Minas e Energia EPE Empresa de Pesquisa Energética Dec. n O 5184/2004 ONS Operador Nacional do Sistema Elétrico Dec. n O 5081/2004 ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica Lei n O 9427/1996 CCEE Câmara de Comercialização de Energia Elétrica Dec. n O 5177/2004

6 Mercado de energia Mercado Regulado ACR e Mercado Livre ACL Energia contratada pelas distribuidoras para o atendimento da demanda dos consumidores cativos. Consumidores acima de 3 MW podem negociar seus contratos de energia diretamente com geradores e comercializadoras no ACL, respeitando a regra de estar 100% lastreado por contratos de energia. - CCEAR* por disponibilidade - CCEAR por Quantidade Contratos resultantes de leilões Contratos livremente negociados - Preço Fixo - Preço Variável CCEAR = Contrato de Comercialização de Energia Elétrica no Ambiente Regulado Fonte: CCEE

7 Aspectos Gerais Geração (G) Produção de Energia Corresponde de 35 a 50% do custo total do sistema Geradores podem ser acionados por combustíveis diferentes. Há diferença no preço do produto Não há diferença no produto A produção combina diferentes fontes e combustíveis (competição) 7

8 Aspectos Gerais Transmissão (T) Conexão da Geração com a Carga em alta tensão Corresponde a 5 a 15% do custo total Os sistemas, normalmente, são AC Sobrecarga pode provocar a saída de elementos Necessidade do Operador do Sistema 8

9 Aspectos Gerais Operador do Sistema (Op) Despacho do sistema em tempo real Decide a entrada e a saída dos geradores Tem que manter usinas operando em vazio (reserva girante) Tem que conhecer (em tempo real) o fluxo em cada linha de transmissão 9

10 Aspectos Gerais Distribuição (D) Conexão entre a transmissão e o consumidor Corresponde a 30 a 50% dos custos Faz a medição e a cobrança Mesmo sendo fio, tem característica diferente da G e T Gestão da infraestrutura de atendimento bastante complexa (necessidade de grandes redes e atendimento de consumidores com características distintas) 10

11 Aspectos Gerais Estrutura Tradicional Integração vertical Monopólio legal em área de concessão As empresas podiam ser públicas ou privadas, mas normalmente eram únicas Em alguns casos (como o Brasil), G e T constituíam um único negócio e vendiam energia para as D (normalmente estaduais). 11

12 Estrutura tradicional 12

13 Aspectos Gerais Razões para integração vertical Custo de transação T e D são monopólios naturais Coordenação da operação de G e T Coordenação do planejamento de G e T Economia de escala na G As duas primeiras ainda valem A mudança na última incentivou a entrada de novos G (competição) 13

14 Desverticalização e competição 14

15 Aspectos Gerais Para haver competição as funções devem ser separadas Como consequência, as tarifas de cada função também devem ser definidas Cada empresa deve negociar a compra e a venda de energia Com isso ocorre o aumento do custo das transações 15

16 Verdades Técnicas Eletricidade não pode ser armazenada Geração = Carga a cada instante Os preços podem variar muito nos horários de pico Eletricidade percorre o caminho de menor impedância O consumidor não pode escolher qual o gerador que vai fornecer a sua energia 16

17 Verdades Técnicas Existem relações físicas complexas que garantem a transmissão da energia Um curto circuito em Bauru pode provocar um blecaute no Brasil inteiro. Eletricidade trafega na velocidade da luz O controle deve ser feito em tempo real 17

18 Vantagens da operação interligada Maior confiabilidade operativa (< variações tensão e de frequência continuidade) Maior suportabilidade a perturbações rede de maior porte maior inércia Maior flexibilidade para desligamentos programados circuitos alternativos Menor reserva de potência unidades geradoras operando em sincronismo Melhor aproveitamento energético otimização entre bacias hidrográficas otimização hidrotérmica

19 Desvantagens da operação interligada Necessidades de linhas (investimento) Propagação de distúrbios locais para o SI (sistemas de controle e proteção) Complexidade administrativa (diversos agentes, conflitos de interesses) Complexidade técnica (necessidade de sincronismo, conflitos tecnológicos) Multiplicidade de alternativas de expansão Complexidade nos estudos de operação (variação das cargas, indisponibilidade, limites operativos, requisitos de operação)

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21 SIN Sistema de transmissão

22 Aspectos Gerais Em um sistema competitivo, o operador precisa ser independente! A operação (ou despacho) é uma atividade técnica que tem um certo grau de subjetividade O operador pode, por exemplo, optar por uma operação mais cara e mais segura Pode também arriscar, em determinadas situações, não atender ao critério de confiabilidade para uma operação mais barata 22

23 Aspectos Gerais Operação Elétrica do Sistema Assegurar a entrega da energia com as condições reais do sistema (geração e transmissão) Leva em conta a manutenção de equipamentos Leva em conta as contingências do sistema Opera em tempo real 23

24 Aspectos Gerais Operação Energética do Sistema Decide o combustível (água, gás, petróleo, urânio, etc...) Qual usina hidráulica deve ser despachada? Tem que garantir a operação atual e a demanda futura Dilema: usa água hoje (mais barata) e, se não chover, pode faltar energia elétrica amanhã 24

25 Despacho hidrotérmico O despacho hidrotérmico ótimo é o que minimiza a soma do custo total = custo imediato + custo futuro (que depende da decisão do custo imediato). A solução ótima não é gerar toda a disponibilidade hidrelétrica logo no primeiro estágio, embora ela tenha custo operativo = zero. Por que? Porque a hidrelétrica pode transportar energia (armazenar água) de um estágio para outro. Portanto, a geração hidro tem um custo de oportunidade

26 Otimização Eletroenergética

27 Otimização Eletroenergética FCI Função de Custo Imediato FCF Função de Custo Futuro

28 Importância do planejamento A carga elétrica cresce com o tempo Se em uma situação a carga elétrica for maior que a possibilidade de geração, o sistema entra em colapso É preciso prever a carga futura para ter capacidade de atendimento É indispensável o PLANEJAMENTO da expansão do SE 28

29 Importância do planejamento A implantação de uma nova usina é demorada (cinco anos ou mais) Necessidade de avaliar qual serão as fontes primárias de energia Necessidade intensiva de capital Reforçando: é indispensável o PLANEJAMENTO da expansão do SE 29

30 Objetivos do planejamento Objetivo do planejamento da expansão Alocação temporal (quando) e espacial (onde) das capacidades de geração e transmissão necessárias para atender ao crescimento da demanda ao longo do horizonte de planejamento (curto, médio e longo prazos), de modo a assegurar o atendimento do mercado, dentro de padrões préestabelecidos de qualidade (risco de déficit), a mínimo custo Objetivo do planejamento da operação Determinação de uma estratégia de operação em cada usina que minimize o valor esperado dos custos operativos (combustível/déficit de energia) no período de planejamento 30

31 Processo de planejamento PLANEJAMENTO DA EXPANSÃO (Estratégico) EPE PLANEJAMENTO DA OPERAÇÃO (Tático) ONS Longo Prazo (> 20 anos) Médio Prazo (10 anos) Planejamento da Operação (5 anos) Programação da Operação (Mensal/Semanal /Diária) Supervisão e Controle (Horária) Avaliação dos Intercâmbios (Pós-operação)

32 Fontes de energia A energia elétrica é uma fonte secundária de energia não é encontrada na natureza de forma disponível para o consumo Precisa ser obtida a partir da transformação de outras fontes energéticas (renováveis ou não-renováveis)

33 Fontes de energia Renováveis Energias inesgotáveis (perenes), devido ao permanente processo de recarga pelo sol A energia solar é a principal fonte primária de energia na Terra Reposição contínua na natureza (mais rápida que sua utilização) São consideradas SUSTENTÁVEIS seu uso no presente não compromete sua utilização no futuro Há também a energia das marés (atração gravitacional da lua/sol) Seu uso não produz gases nocivos ao meio ambiente nem efeito estufa Não-Renováveis Derivadas de combustíveis que levaram um enorme tempo para serem formados Passíveis de se esgotar por serem utilizadas em velocidade maior que os milhares (ou milhões) de anos necessários para sua formação Não são consideradas fontes SUSTENTÁVEIS Combustíveis fósseis representam a principal fonte de energia não renovável utilizada (cerca de 80% da energia consumida no mundo) Emissão de gases provenientes de sua queima é a principal causa do efeito estufa

34 Energias Renováveis Energia solar Utilização direta Utilização indireta Conversão termo-solar Conversão fotovoltaica Quedas d água Vento Biomassa Ondas do mar Calor dos oceanos (gradiente térmico) Correntes oceânicas Conversão fotoquímica Aquecimento armazenado (bomba de calor) Energia das marés Aproveitam a diferença de nível entre as marés alta e baixa causadas pela força gravitacional da lua e do sol

35 Energias Não-Renováveis Combustíveis fósseis Turfa Carvão mineral Petróleo Gás natural Xisto betuminoso Areia betuminosa Utilizados em combustão para geração de energia mecânica Combustíveis nucleares Urânio Tório Deutério Lítio Plutônio Utiliza-se a energia das reações nucleares para a geração de energia térmica

36 Capacidade Instalada (03/12/2018) Tipo Nº de usinas Potência inst. (MW) % Potência média (MW) Usina Hidrelétrica UHE ,7 450 Pequena Central Hidrelétrica PCH ,2 12 Central Geradora Hidrelétrica CGH ,5 1 Total hidrelétricas ,4 77 Gás ,0 77 Biomassa ,1 26 Petróleo ,7 4 Carvão Mineral ,0 148 Outros ,1 147 Total termelétricas ,9 13 Usina Termonuclear UTN ,2 995 Usina Eólica EOL ,5 25 Usina Fotovoltaica UFV ,0 29 Undi-Elétrica CGU 1 0,05-0,05 TOTAL ,0 22 Como oferta de energia elétrica, há, ainda, as importações que totalizam MW: Paraguai (5.650 MW), Argentina (2.250 MW), Venezuela (200 MW) e Uruguai (70 MW) 54 empreendimentos = MW Fonte: ANEEL

37 Capacidade Instalada (03/12/2018) Nucleares 1,2% Eólicas 8,5% Fotovoltaicas 1,0% Carvão 2,0% Outros 0,1% UTN 1,2% EOL 8,5% UFV 1,0% Petróleo 5,7% Térmicas 24,9% Biomassa 9,1% Hidrelétricas 64,4% Gás 8,0% UHE 60,7% CGH 0,5% PCH 3,2% Fonte: ANEEL

38 Matriz Brasileira x Matriz Mundo

39 Matriz Brasileira x Matriz Mundo

40 Geração por Fonte

41 Evolução da capacidade instalada no Brasil Capacidade Instalada Fonte: EPE, Aneel Usinas Hidrelétricas PCH CGH Usinas Eólicas Solar Usinas Termelétricas Usinas Nucleares Total Usinas Hidrelétricas Usinas Termelétricas PCH CGH Usinas Nucleares Usinas Eólicas Solar

42 Evolução da capacidade instalada (PDE 2027) LPS Fonte: EPE

43 Evolução da capacidade instalada Participação das fontes LPS 73% 19% 8% 0% 2008 Fonte: EPE

44 Produção de energia elétrica no Brasil 0,5% 0,9% 1,2% 2,1% 3,7% 5,8% 7,2% 17,6% 23,0% 29,4% 34,5% 35,8% 31,8% 34,4% 80,6% 75,2% 68,5% 63,2% 61,9% 65,8% 63,1% Fonte: EPE

45 Produção de energia elétrica no Brasil Proporção de geração hidráulica 94% 89% 91% 92% 89% 92% 92% 93% 89% 93% 89% 91% 86% 79% 73% 71% 73% 70% 71%

46 LPS Estoque de água no SIN A capacidade de estocar água nos reservatórios tem crescido em velocidade menor que o crescimento da carga (impossibilidade de se implantar usinas com grandes reservatórios). O crescimento da carga após o racionamento 2001/2002 foi de 78%. A evolução do consumo seguiu sua tendência histórica, exceto nos momentos de crise econômica. Atualmente se observa uma acentuação das variações sazonais. Já o crescimento da capacidade máxima de armazenamento foi de apenas 23% no mesmo período.

47 LPS Estoque de água no SIN

48 Aumento da amplitude de uso dos reservatórios LPS A redução da capacidade de armazenamento tem provocado um uso mais intenso dos reservatórios. Além disso, há sinais de que pode estar havendo um uso mais acentuado dos usos consuntivos (abastecimento e irrigação) em importantes bacias do país e de que a operação hidrelétrica está menos eficiente. A ocorrência de hidrologia adversa (mesmo em períodos mais curtos) passa a ter efeitos muito mais severos no futuro. Mas porque não geramos mais a partir das termelétricas?

49 LPS Geração termelétrica Em 2014 e 2015, o ONS despachou todas as térmicas disponíveis em algumas situações, porém, o parque termelétrico no Brasil não é adequado para geração por longos períodos Resultado: Forte impacto sobre o Custo Marginal de Operação Máx. CMO: 2013: 555 R$/MWh 2014: R$/MWh 2015: R$/MWh 2016: 477 R$/MWh 2017: 860 R$/MWh

50 LPS GSF (Generation Scaling Factor)

51 LPS GSF (Generation Scaling Factor) GSF médio anual: 90,6% 84,7% 86,9% 81,2%

52 LPS GSF (Generation Scaling Factor)

53 OBRIGADO Fernando Umbria