XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GRUPO - VII GRUPO DE ESTUDO DE PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GPL

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão 1.0 XXX.YY a 5 Novembro de 009 Recfe - PE GRUPO - VII GRUPO DE ESTUDO DE PLANEJAMENTO DE SISTEMAS ELÉTRICOS - GPL HIDROTERM SISTEMA DE SUPORTE A DECISÃO PARA PLANEJAMENTO OPERACIONAL DO SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL Renao Carlos Zambon João Eduardo Gonçalves Lopes Maro Thadeu Leme de Barros EPUSP FEC/UNICAMP EPUSP Paulo Sérgo Franco Barbosa FEC/UNICAMP Albero Luz Francao* FEC/UNICAMP RESUMO Ese rabalho apresena um modelo de omzação para o planejameno da operação de médo e longo prazo de ssemas hdroérmcos. O modelo é esruurado em dos módulos: O módulo HIDRO e o módulo TERM, com possbldade de operação conjuna dos módulos, denomnado HIDROTERM. Os eses com o modelo HIDROTERM vêm sendo realzados com a aplcação ao Ssema Inerlgado Naconal (SIN), que é consderado um dos maores ssemas dese po no mundo. Na aplcação do modelo nese rabalho o objevo prncpal é mzar a produção hdroelérca e conseqüenemene mnmzar a geração érmca que ulza combusíves fósses, reduzndo assm o cuso operavo. PALAVRAS-CHAVE Geração de Energa, Planejameno da Operação, Omzação, Ssemas Hdroérmcos, Ssema Inerlgado Naconal INTRODUÇÃO Um dos grandes desafos para a humandade é a connudade no suprmeno de energa, mas especfcamene a energa elérca, dreamene lgada às avdades anrópcas. Grande pare do mundo em sua marz energéca foremene dependene de combusíves fósses e assm vêm nvesndo em pesqusas na busca por fones alernavas de energa, na enava de dmnur esa dependênca. No caso braslero o ssema de geração de energa elérca é do po hdroérmco, embora, anda com grande predomnânca da pare hdroelérca. Os movos que levaram a parcela hdroelérca ser consderavelmene maor que a parcela ermoelérca são: a abundânca de recursos hídrcos; a ameaça de polução na quema de combusíves e o cuso elevado dos combusíves fósses. No enano, durane os períodos de seca é necessára uma complemenação da geração hdroelérca com a geração ermoelérca. Assm, a operação do ssema braslero procura gerar energa com mínmo cuso, mas denro da segurança operaconal promovendo despachos ermoelércos. Embora o Brasl goze de aparene segurança, em ermos de recursos hídrcos dsponíves, verfcam-se mporanes desafos relaconados com a produção de energa elérca. Em prmero, o uso comparlhado dos reservaóros com ouras necessdades como o abasecmeno de água, a rrgação, o conrole de cheas e a navegação, em segundo lugar a garana de expansão do ssema dane do progressvo ncremeno na demanda por energa elérca. O Brasl anda em um elevado poencal hdroelérco, mas a maor pare dele ese localzado na regão nore do país, na Baca Amazônca onde as resrções ambenas são decsvas e dfculam a exploração de novos empreendmenos. Também é mporane consderar o problema da ransmssão devdo às longas dsâncas enre a regão nore e os prncpas cenros de carga. Assm, um modelo para planejar a operação e expansão da capacdade do ssema elérco braslero precsa conemplar odo o equlíbro do ssema hdroérmco, mnmzando o cuso do uso dos recursos érmcos, e consderando a mplíca esocascdade envolvda no processo e a evolução da demanda energéca. (*) Av. Alber Ensen, n 951 Caxa Posal CEP , Campnas, São Paulo, Brasl Tel: (+55 19) Emal:

2 As dfculdades na consrução de novos empreendmenos hdroelércos e no suprmeno de combusíves fósses (ano a dsponbldade quano o cuso) êm desperado neresse cada vez maor no desenvolvmeno de novas ecnologas que possam ser ulzadas para planejar e operar os ssemas hdroérmcos de forma a reduzr cusos ou ober ganhos com a efcênca operava. Assm apresena-se nese rabalho um modelo de omzação para o planejameno da operação de grandes ssemas hdroérmcos. O modelo esá esruurado em dos módulos: O módulo HIDRO e o módulo TERM, com a possbldade de operação dos dos módulos em conjuno, denomnado HIDROTERM. O modelo pode ser usado para resolver dversos problemas, as como planejameno da operação de médo e longo prazo, cusomzação para operação em empo real, verfcações sobre a expansão de capacdade do ssema, ec. Além dsso, o modelo pode conemplar quesões de uso múlplo da água e assm ambém represena uma poderosa ferramena para resolver conflos enre usuáros concorrenes. Oura caracerísca mporane é a possbldade de consderar a esocascdade da energa naural afluene. Na versão aplcada no rabalho o objevo prncpal é mzar a produção hdroelérca e conseqüenemene mnmzar a geração érmca que ulza combusíves fósses, reduzndo assm o cuso operavo. Os eses com o modelo HIDROTERM vêm sendo realzados com a aplcação ao Ssema Inerlgado Naconal (SIN), que é consderado um dos maores ssemas dese po no mundo. O raameno das usnas é feo forma ndvdualzada e em vabldade de processameno denro horzone de planejameno de longo prazo em um compuador de pequeno pore. Os resulados prelmnares mosram que a meodologa proposa é efcene no raameno dos desafos écncos envolvdos na operação de ssemas hdroérmcos..0 - O SISTEMA HIDROTÉRMICO BRASILEIRO Com amanho e caraceríscas que permem consderá-lo únco em âmbo mundal, o ssema de produção e ransmssão de energa elérca do Brasl é um ssema hdroérmco de grande pore, com fore predomnânca de usnas hdrelércas e com múlplos propreáros. O Ssema Inerlgado Naconal é formado pelas empresas das regões Sul, Sudese, Cenro-Oese, Nordese e pare da regão Nore. Apenas,% da capacdade de produção de elercdade do país enconra-se fora do SIN, em pequenos ssemas solados localzados prncpalmene na regão amazônca. O planejameno da operação do ssema hdroérmco braslero esá foremene relaconado à sua parcela hdroelérca, devdo, prncpalmene, ao elevado percenual gerado por esa fone de energa, aproxmadamene 9%, segundo dados auas da ANEEL (007). O Brasl possu no oal empreendmenos em operação, com kw de poênca nsalada. A prncpal caracerísca operaconal do ssema de produção de energa elérca no Brasl hoje é aprovear, na medda do possível, seu poencal hídrco, mnmzando o uso das ermoelércas. Desse modo, o cuso de produção de energa elérca deca uma vez que o cuso do combusível fóssl é muas vezes superor ao cuso de operação das hdroelércas. Todava, o uso excessvo das hdroelércas aumena o rsco de não aendmeno da demanda fuura (rsco de défc), uma vez que esse po de fone esá sujea a um componene alamene aleaóro, a precpação. Porano, o objevo geral da operação é gerar energa com as hdroelércas aé um lme de segurança, ou seja, ulzar a água armazenada no ssema sem compromeer o aendmeno fuuro da demanda, complemenando, quando necessáro, a geração com as ermoelércas. Trabalha-se enão com o segune dlema: se as hdroelércas forem ulzadas nensamene, corre-se o rsco do não aendmeno da demanda fuura numa suação de esagem, de seca hdrológca, caso conráro, se as ermoelércas forem basane aconadas, aumena-se o cuso de produção de energa e corre-se o rsco dos reservaóros, operando mas cheos, vererem um excedene de água na ocorrênca de um período chuvoso mas nenso, ou seja, água que podera ser empregada para gerar energa sera smplesmene descarada pelo ssema e o cuso de produção de energa sera bem mas elevado. Porano, o sucesso da operação do ssema elérco braslero esá foremene agregado ao sucesso da prevsão hdrológca, sem falar de ouro componene aleaóro que é a própra demanda fuura de energa. Se os reservaóros forem nensamene ulzados no período seco e se eles encherem no período úmdo subseqüene, execua-se uma operação perfea, de baxo cuso, com garana do aendmeno da demanda fuura. Do mesmo modo, se for conhecda a prevsão de esagem, preservam-se os armazenamenos nos reservaóros, ulzam-se mas as ermoelércas, os cusos de produção de energa são maores, mas o aendmeno da demanda fuura esará assegurado. Enfm, as prncpas quesões a serem ecncamene examnadas no processo de operação são: Como aender a demanda de energa de modo a mnmzar cusos e garanr o aendmeno da demanda fuura para um ssema majoraramene hdroelérco? De que forma ncorporar a prevsão hdrológca no processo de decsão? De que forma operar omamene um ssema de reservaóros complexo como o braslero, uma vez que essa fone de energa é a mas baraa e a que menos mpaca negavamene o meo ambene? Agregar e analsar um número ão grande de varáves esocáscas para a omada de decsão orna o problema operaconal hdroérmco basane complexo..0 O ESTADO DA ARTE

3 Da análse do esado da are sobre os dversos emas pesqusados, fca evdene a complexdade do planejameno da operação de ssemas hdroérmcos, especalmene os de grande pore e anda, consderando em muos casos, aspecos de mercado em processo de reesruuração, com seus rscos nerenes. A evolução da modelagem do problema revela a progressva aplcação de uma maor varedade de écncas nclundo a omzação de fluxos em redes, algormos de solução por ponos nerores, algormos genécos e solvers cada vez mas áges e robusos de programação lnear e não-lnear. Tas algormos êm permdo consegur avanços na modelagem dos ssemas, nclundo a represenação ndvdualzada das usnas. Grande pare das aplcações adoa como créro operavo a mnmzação dos cusos de complemenação érmca, fcando represenadas apenas como resrções as condções de uso múlplo da água. Dane da mporânca desse assuno no País, especalmene com a aprovação recene (0/01/006) do Plano Naconal de Recursos Hídrcos, consdera-se mperosa a análse mas dealhada dos reflexos e a nclusão do uso múlplo em dversas bacas na modelagem da operação do ssema hdroérmco braslero. Como elemeno faclador à essa análse, reconhece-se na leraura recene, o grande poencal dos Ssemas de Supore à Decsão (SSD), os quas êm permdo análse de uma maor varedade de alernavas em empo hábl, faclando a nerlocução com os agenes e a omada de decsão. A despeo dos avanços reconhecdos na rerospecva sobre o esado da are, as aplcações sempre ncdem sobre ssemas hdroelércos ou hdroérmcos de menor pore que o SIN, evdencando a dmensão do desafo ecnológco-gerencal na arefa do ONS para planejar um ssema de grande pore, com alo grau de nerconexão elero-energéca e sujeo às ncerezas decorrenes da elevada aleaoredade das vazões fluvas. Tal desafo se acenua sob o conexo de mercado de energa sob reesruuração, com um novo marco regulaóro, em que se enfaza o papel de planejameno, com a convvênca de agenes do seor elérco de naureza esaal e prvada, fcando acenuados os neresses comercas dreamene dependenes da operação do ssema. Anda, reconhece-se ambém o acompanhameno cada vez mas próxmo de dversos segmenos da socedade e da própra mída em geral, odos com neresse nas quesões sobre o suprmeno de energa..0 METODOLOGIA DO MODELO HIDROTERM A proposa meodológca apresenada no rabalho raz o modelo HIDROTERM combnando os módulos HIDRO e TERM. Observa-se que o processo de omzação pode ser processado de dferenes formas: com a pare HIDRO soladamene, a pare TERM soladamene, a pare HIDRO e a pare TERM conecados por um processo eravo, e auomacamene acoplando as pares HIDRO e TERM. Nese argo dscue-se o procedmeno HIDROTERM eravo. O módulo HIDRO emprega uma políca de operação que consdera as usnas hdroelércas ndvdualzadas, procurando produzr energa hdroelérca com a máxma efcênca, procurando esabelecer sequêncas ómas de depleconamenos dos reservaóros, mzando a produbldade e por conseqüênca mnmzando as necessdades de complemenação érmca. Em ermos maemácos o problema é resolvdo por écncas de programação não lnear (PNL), com a função objevo e o conjuno de resrções apresenado a segur: onde: n n d D ZH n n mn ZH = d D P, (1) = 1 = 1 : índce da usna hdroelérca ou reservaóro; : número de usnas hdroelércas ou reservaóros; : horzone de planejameno; : índce referene ao empo; : duração do nervalo de empo (10 6 s); : Demanda requerda, geralmene pode ser consderada a demanda oal menos a geração fxa, pode ser defnda arbraramene pelo usuáro ( por exemplo, a máxma capacdade nsalada (MW)); : Função objevo (10 6 s.mw²) O modelo HIDRO deve aender às segunes resrções: A descarga oal é gual à soma da vazão urbnada e os evenuas vermenos: ' '' R R, + R, Equação da connudade: Evaporação: S = () () nm = S 1 + d Rm I R UC DT E, +,,,, m = 1

4 A + A 1 E = IE () Lme de geração por subssema: njk P j k, GH k, (5) jk = 1 Na prmera eração, GH k, = Dk, + INTfk,. Nas demas erações, ncorpora-se o modelo TERM, onde EH k, >0 muda-se o lme para GH, k, = GHk, EHk. Lmes de armazenameno nos reservaóros, com conrole de cheas em função do empo: mn S S S Capacdade de Geração: P P ID, Armazenameno ao fnal do horzone: Lmes na vazão defluene: Perda de carga: (6) (7) S n S fnal = (8) R R mn, (9) ' mn ' ' R. ID, R R. ID, H (10) " R 0 (11), + H 1 Hg = HT, (1) Poênca gerada: ' P, Polnômo coa x volume: H 0 1 Polnômo coa x vazão: HT, b0 + b1 R, + b R + b R + b R Polnômo coa x área: A, c0 + c1 H + c H + c H + c H Lme máxmo na vazão urbnada: R, d0 + d1 Hg + d Hg + d Hg + d Hg onde: j k : Índce da usna hdroelérca ou reservaóro no subssema k; k : índce do subssema; m : índce da usna hdroelérca ou reservaóro a monane ; nj k : número de usnas hdroelérco ou reservaóros no subssema k; nm : número de usnas hdroelércas ou reservaóro a monane de ; = η Hg R (1) = a + a S + a S + a S + a S (1) = (15) = (16) = (17) A : área do espelho d água do reservaóro (Km²); DT : necessdades para usos de ransposção (m³/s); EH k, : excesso na geração hdroelérca (MW); E : evaporação (10 6 m³); Hg : carga (m); η : efcênca na geração de energa (0< η <1); H : nível d água no reservaóro (m); HT : nível d água no canal de fuga (m); ID : índce de dsponbldade devdo à manuenção e expansão do ssema (0< ID <1);

5 5 IE I P P R : lâmna d água evaporada durane o período (m); : vazão naural (m³/s); : produção de energa (MW); : máxma produção de energa (MW); : vazão verda ou não urbnada (m³/s); R : vazão urbnada (m³/s); R : máxma vazão urbnada (m³/s); R mn : mínma vazão urbnada (m³/s); R R mn S S S mn UC : vazão oal (m³/s); : vazão mínma defluene (m³/s); : armazenameno (10 6 m³); : volume máxmo armazenameno (10 6 m³); : volume mínmo armazenameno (10 6 m³); : vazão para usos consunvos (m³/s). O segundo passo é resolvdo pelo módulo TERM, que ulza a geração hdráulca do modelo HIDRO como enrada e omza o cuso global, os nercâmbos e os défcs com usnas agregadas por subssemas. Função objevo: nk n d mn ZT = CGTad k, + ( DEFk, cdef + INTf k, cin) (18) k = 1 = O modelo TERM esá sujeo ao segune grupo de resrções: Balanço de energa: DE k, DEFk, = GH k, EH k, + GTad k, + GFk, + INTrk, INTf (19) Cuso de geração érmca adconal: CGTad = e GTad + e GTad + e GTad + e GTad (0) k, 1k, k, k, k, k, k, k, k, Lme de geração érmca adconal: Lmes de nercâmbos: Balanço e faor de descono: nk k = 1 GH k, é resulado do modelo HIDRO: 0 GTad k, GTad k, (1) 0 INTf k, INTf k, () 0 INTrk, INTrk, () nk ( fptr) = INTf k, 1 INTrk, () nj = k jk = 1 jk, k = 1 GH k, P (5) onde: nk : número de subssemas; cdef : cuso do défc (R$/MWh); CGTad k, : cuso da geração érmca adconal (10 6 R$); cin : cuso do nercâmbos (R$/MWh); DEF k, : défc (MW); fptr : faor de perdas nos nercâmbos; GF k, : geração nflexível, nclu nuclear, mporação pequenas e nflexíves gerações érmcas (MW); GH k, : geração hdroelérca (MW); GTad k, : geração érmca adconal (MW); GTad k, : máxma geração érmca adconal (MW); INTf k, : nercâmbo fornecdo (MW); INTf k, : máxmo nercâmbo fornecdo (MW); INTr k, : nercâmbo recebdo (MW); INTr k, : máxmo nercâmbo recebdo (MW); ZT : função objevo do modelo TERM (10 6 R$); k,

6 6 Em alguns casos o modelo pode resular em excesso de geração hdroelérca no modelo HIDRO (EH k,>0). Nese caso um procedmeno eravo reorna para o modelo HIDRO, mudando os lmes de geração hdroelérca, mas precsamene na equação 5. Ese procedmeno é repedo aé que EH k,= ESTUDO DE CASO: O SISTEMA INTERLIGADO NACIONAL (SIN) O modelo HIDROTERM fo desenvolvdo numa nerface gráfca amgável para manpulação de dados de enrada, confgurações de processameno, e geração de mapas, gráfcos e abelas para dar supore aos decsores e as pessoas envolvdas no processo de planejameno da operação. A nerface fo crada usando DELPHI 7.0 e modelo de omzação fo resolvdo com o sofware GAMS. A nerface e a omzação do modelo foram negradas ulzando conceos de Ssema de Supore à Decsão (SSD). A nerface em opções para smular o ssema com regras especas formuladas pelo operador. Exemplos de as opções ncluem por exemplo operar odas as usnas a fo d água, manendo os reservaóros cheos ou mesmo qualquer regra defnda pelo usuáro. O modelo pode ser aplcado para omzar o módulo HIDRO soladamene, o módulo TERMO soladamene ou ambos em um processo eravo. Essas opções permem análses dferenes, e são mporanes para defnr uma solução vável ncal para o processo de omzação não lnear (PNL). Os dados de enrada para o esudo de caso foram baseados em dados ofcas do ONS publcados em abrl de 007. O conjuno de dados nclu o ssema exsene e o planejameno da expansão para os próxmos cnco anos. O armazenameno ncal e fnal para odos os reservaóros foram fxados em 80% da capacdade. O ssema possu 18 usnas hdrelércas e quaro subssemas para nsalações érmcas. Para ese esudo, as vazões foram os regsros hsórcos de , consderada uma hdrologa pcamene sazonal represenane no Brasl com períodos secos e úmdos. A Fgura 1 mosra os prncpas resulados de odo o ssema. Ela mosra que, para o cenáro escolhdo fo evado geração érmca adconal nos prmeros dos anos, uma fração muo pequena fo exgda no ercero ano e menos de meade da capacdade fo ulzada no quaro e quno ano. Em méda, mas de 90% da demanda fo suprda pelas usnas hdrelércas, o resane fo fornecdo por usnas nucleares e érmcas. A Fgura mosra a geração hdroelérca, para cada subssema. A varação fo maor do que o oal, mosrando a mporânca das ransferêncas enre os subssemas para alcançar uma gesão óma para odo o ssema. Fnalmene a Fgura mosra a geração érmca adconal para cada subssema. Nese exemplo, o pore do modelo HIDRO pode ser consderado grande, com.86 resrções e varáves de decsão. O modelo TERM operou com 01 resrções e 960 varáves de decsão. A omzação fo realzada ulzando o solver MINOS (PNL). O processo necessou de 10 erações e 0 mnuos de processameno eum mcrocompuador AMD Turon6 X TL-58 (1.9GHz). Sysem: All (MW) DE GH GF GF+GTad GF+GTad INTr me (monhs) Fgura 1 Prncpas resulados do ssema

7 7 GH (MW) me (monhs) Fgura Geração Hdro em cada subssemas GTad (MW) me (monhs) Fgura Geração érmca adconal para cada subssema 6.0 CONCLUSÃO Ese rabalho apresenou um modelo maemáco para omzar a operação de grandes ssemas hdroérmcos. Os resulados prelmnares foram muo neressanes. A meodologa desenvolvda é adequada para aplcações dferenes, as como planejameno operaconal, expansão de capacdade e ouros problemas écncos relaconados com ssemas hdroérmcos. Além dsso, é mperavo ressalar a mporânca dessa meodologa relaconada com o dlema enre a produção de energa e os mpacos ambenas. O modelo pode ser usado para ldar com a ulzação raconal de energa e programas para mzar a ulzação de ssemas de energa hdroelérca, mnmzando geração érmca..0 - REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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