ABORDAGEM MULTIOJETIVA PARA SOLUCIONAR UMA MATRIZ ENERGÉTICA CONSIDERANDO IMPACTOS AMBIENTAIS

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1 ABORDAGEM MULTIOJETIVA PARA SOLUCIONAR UMA MATRIZ ENERGÉTICA CONSIDERANDO IMPACTOS AMBIENTAIS T. L. Vieira, A. C. Lisboa, D. A. G. Vieira ENACOM, Brasil RESUMO A mariz energéica é uma represenação quaniaiva da ofera de energia, ou seja, da quanidade de recursos energéicos oferecidos por um país ou por uma região. A análise da mariz energéica de um país, ao longo do empo, é fundamenal para a orienação do planejameno do seor energéico que em de garanir a produção e o uso adequado da energia produzida, permiindo, inclusive, as projeções fuuras. Aravés do insrumeno mariz energéica pode-se avaliar o comporameno das quanidades dos energéicos auais e que poderão vir a serem consumidas no fuuro, assim como a forma e a eficiência com que eses energéicos serão consumidos. A mariz energéica represena como a demanda é aendida aravés do uso de diferenes fones de energias disponíveis. A paricipação de cada fone, como hidrelérica, combusíveis fósseis, eólica, é definida com o objeivo de aender a demanda, reduzindo os cusos e os impacos ambienais e aumenando a confiabilidade do sisema. No Brasil, onde a geração hidrelérica é predominane (76,9%) e de grande pore, onde o poencial energéico das bacias hidrográficas é usado para gerar a maior pare da energia em larga escala com baixos cusos e impacos ambienais. As fones érmicas, nucleares e eólica complemenam a mariz elérica brasileira. Analisar e planejar a mariz energéica é um problema complexo e ambém de grande pore, o que exige cada vez mais dos pesquisadores o desenvolvimeno de modelos que reproduzam o real funcionameno deses sisemas. Nese rabalho, busca-se a oimização de uma mariz energéica formada por rês fones de energia: hidráulica, érmica e eólica. A abordagem muliobjeivo desaca a minimização dos cusos e impaco ambienal, além de maximizar a confiabilidade, i.e. maximizar a capacidade não usada nas usinas érmicas e o acúmulo de água nos reservaórios das hidreléricas. O problema é modelado considerando um horizone de planejameno de 10 anos, dado cera evolução na demanda de energia e a inserção de novas fones energéicas. Um exemplo de parque gerador é uilizado para fins de ese e as opções para a expansão do parque são pré-deerminadas e analisadas de forma que as simulações indiquem a combinação óima de fones energéicas para uma mariz eficiene e confiável. PALAVRAS CHAVE Mariz energéica - Oimização muliobjecivo - Impacos ambienais - Oimização de cusos adriano.lisboa@enacom.com.br

2 1 INTRODUÇÃO A mariz energéica represena como a demanda é aendida aravés do uso de diferenes fones de energias disponíveis. A paricipação de cada fone, como hidrelérica, combusíveis fósseis, eólica, é definida com o objeivo de aender a demanda, reduzindo os cusos e os impacos ambienais e aumenando a confiabilidade do sisema. Uma série de rabalhos abordaram ese ema. Enre eles podemos ciar o rabalho de [1] que aborda um modelo para a expansão de uma mariz energéica onde a axa de emissões de poluenes é a principal resrição. Os eses foram realizados no sisema ese IEEE30 e o resulado invesiga como o cuso da produção varia de acordo com as emissões. A esruura da mariz energéica da China, à base de carvão, deermina que o seor enfrenar grandes dificuldades em cumprir os padrões inernacionais para emissões de CO 2. [2] apresenam rês diferenes cenários com base no modelo LEAP (Long range Energy Alernaives Planning Sysem) para projear o consumo de energia e as emissões de CO 2 da China. Diane da crescene preocupação mundial com as mudanças do clima global, em especial o aquecimeno do planea, as emissões de gases de efeio esufa se ornam uma quesão cada vez mais relevane [3]. O Brasil em se desacado por apresenar reduzidos índices de emissão de gases em sua produção de energia, o que se deve basicamene à elevada paricipação de fones renováveis na ofera energéica inerna. Produzindo e consumindo energia, cada brasileiro emie, em média, 4 vezes menos CO 2 do que um europeu, 9 vezes menos do que um americano e 3 vezes menos do que emie um chinês [4]. De acordo com [5], o Brasil possui uma variedade de fones energéicas e capacidade de crescimeno, havendo necessidade de planejameno e execução de invesimenos de curo, médio e longo prazo. Os auores formulam um balanço energéico simplificado e idenificam as fones de energia que sofreram défici e as que serão mais represenaivas na mariz energéica enre os anos de 2010 e Anunes [6] operou o planejameno e expansão do parque gerador usando programação linear ineira misa muliobjeivo que permie uma expansão modular da geração e gesão da demanda. O cuso oal da expansão, impaco ambienal e cuso do impaco ambienal foram quanificados. Nese rabalho, busca-se a oimização de uma mariz energéica formada por rês fones de energía: hidráulica, érmica e eólica. A abordagem muliobjeivo desaca a minimização dos cusos e impaco ambienal. O problema é modelado considerando um horizone de planejameno de 10 anos, dado cera evolução na demanda de energia e a inserção de novas fones energéicas. Um exemplo de parque gerador é uilizado para fins de ese e as opções para a expansão do parque são pré-deerminadas e analisadas de forma que as simulações indiquem a combinação óima de fones energéicas para uma mariz eficiene e confiável. 2 METODOLOGIA Ese rabalho apresena a oimização da mariz energéica de uma região formada por rês fones de energia (hidráulica, érmica e eólica) aravés de um modelo de oimização linear muliobjecivo. O objeivo do modelo é definir a paricipação de cada fone energéica na mariz, de al forma que a operação do sisema aenda a demanda projeada no horizone de planejameno. A operação do sisema no longo prazo esá sujeia a aleaoriedades como a previsão de demanda, afluências, venos, enre ouras. Desa forma, ese rabalho apresena um modelo esocásico linear de dois eságios onde as variáveis de primeiro eságio são: capacidade adicionada a cada período de empo das diferenes fones érmicas (gás, óleo, carvão), eólicas e hídricas. Já o problema de segundo eságio define para cada cenário de 2

3 demanda, de afluências e de aproveiameno eólico, as variáveis de operação: volume dos reservaórios, vazões urbinadas e veridas e geração das unidades érmicas. A decisão de ampliação da capacidade eólica e érmica é modelada de forma conínua com o objeivo de definir a paricipação desas fones na mariz ao invés da escolha de projeos de expansão. No caso hídrico, a decisão de expansão esá associada a um projeo devido a possíveis acoplamenos hídricos enre as usinas e a previsão de vazões. A variável de decisão nese caso é a capacidade de urbinar, ou seja, ambém uma variável conínua. Desa forma o modelo evia a complexidade combinaorial de um modelo de decisões binárias (consruir ou não uma usina). A Tabela 1 apresena a nomenclaura uilizada na modelagem do problema. Índices TABELA 1 NOMECLATURA PARA A MODELAGEM DO PROBLEMA. Parâmeros = 1,..,T: períodos de empo. = 1,..,K: cenários. i = 1,..,I: novas usinas hídricas. j = 1,..,J: usinas hídricas (exisenes e novas) jr = 1,..,JR: usinas hídricas (exisenes e novas) com reservaório jf = 1,..,JF: usinas hídricas (exisenes e novas) a fio d água a: índices das usinas imediaamene a monane o = 1,..,O: novas opções érmicas q = 1,..,Q: usinas érmicas exisenes l = 1,..,L: novas opções eólicas Variáveis U: limie máximo da vazão urbinada na nova usina hídrica (m 3 /s) E: poência insalada das novas opções eólicas em cada período (MW) R: poência insalada das novas opções érmicas em cada período (MW) g: geração das usinas érmicas exisenes em cada período de empo e cenário (MWh) r: geração das novas opções érmicas em cada período de empo e cenário (MWh) v: volume do reservaório da usina hídrica em cada período de empo e cenário (hm 3 ) u: vazão urbinada por usina hídrica a cada período e cenário (m 3 /s) s: vazão verida por usina hídrica a cada período e cenário (m 3 /s) H: número de horas em cada período. d: demanda de carga no sisema no período : consane de conversão de hm 3 para m 3 /s : vazão afluene média em cada aproveiameno hídrico em um período e cenário (m 3 /s) Φ: produividade das usinas hídricas (MW/m 3 /s) Ψ: cuso de insalação de usina hídrica ($/MW) U : limie máximo de vazão urbinada na nova usina hídrica em um período (m 3 /s) u : limie máximo da vazão urbinada de usinas hídricas (m 3 /s) v : limie máximo do volume de usinas hídricas (hm 3 ) α: faor de disponibilidade de usinas/opções érmicas R : limie máximo de poência a insalar de opção érmica em cada período (MW) G : poência máxima de cada usina érmica exisene (MW) β: cuso de insalação de nova opção érmica ($/MW) c: cuso de operação de usina/opção érmica ($/MWh) b: cuso ambienal de operação de usina/opção érmica ($/MWh) f: faor de aproveiameno das novas opções eólicas em um período e cenário. f l : faor de aproveiameno esperado das novas opções eólicas em um período E : limie máximo de poência a insalar de opção eólica em cada período (MW) w: cuso de insalação das novas opções eólicas ($/MW) λ: cuso de operação das novas opções eólicas ($/MWh) 3

4 Resrições do primeiro eságio U U i i, i, 1 R R o o, o, 1 E E l l, l, 1 2,..., 2,..., 2,..., T T T Resrições do segundo eságio u i, U i,, i,, r o,, H o, Ro, o,, Resrição de demanda: q, ro,, H ju j,, g, f,, HE, d,, q o j l l l Resrição balanço hídrico com reservaório: v, v 1, u, s, ( ua,, sa,, ), jr,, Resrição do balanço hídrico de usinas fio d água: u jf,, s jf,, ua,, sa,, jf,, a jf,, a Limies écnicos das variáveis: 0 i, U i, U i, 0 l, E l, E l, 0 o, R o, R o, 0 u j,, u j j,, 0 v, v jr jr,, s 0 j,, j,, 0 q,, g q,, H q, G q, Minimizar cuso de invesimeno e operação: min l wl E lt f l HE l o R o ot 1 K iiu coro it i o q c q g q Minimizar impaco ambienal: 1 min K b r o o o q b q g q 4

5 3 ESTUDO DE CASO Um exemplo de parque gerador é uilizado para fins de ese e as opções para a expansão do parque são prédeerminadas e analisadas de forma que as simulações indiquem a combinação óima de fones energéicas para uma mariz eficiene e confiável. A configuração das usinas hidreléricas exisenes e os projeos de expansão esão apresenados na Figura 1. Os dados referenes às fones esão na Tabela 2. Os cenários de vazão afluene e faor de aproveiameno das usinas eólicas foram inspirados nos dados hisóricos da região sul do Brasil. O parque gerador inicialmene possui uma mariz energéica com paricipação de 77% de hídrica, 11% de érmica a carvão, 7% de érmica a gás e 5% de energia eólica, como apresenada na Figura 2. TABELA 2 DADOS DE EXPANSÃO DAS FONTES. Fone Invesimeno [7] (Milhão $/MW) Cuso de operação [8] ($/MWh) Cuso ambienal [6] ($/MW) Capacidade máxima (MW) Carvão 1, Gás 0, Óleo 0, Hídrica 1, Eólica 1, Figura 1 Configuração das usinas hidreléricas. A mariz para a minimização dos cusos é apresenada na Figura 3. A paricipação da fone hídrica represenará ao final do horizone de planejameno 67%, eólica 8%, carvão 15%, gás 10% da poência insalada. Como esperado as fones érmicas mais econômicas, carvão e gás, alcançaram maior paricipação na mariz com um aumeno na capacidade insalada de aproximadamene 60% cada. A minimização dos impacos ambienais na operação do sisema resulou na mariz da Figura 4 com ala paricipação de usinas eólicas. Durane o horizone de planejameno a capacidade máxima de expansão de 5

6 energia eólica foi uilizada, correspondendo assim a 28% da mariz final. Ouro pono relevane é a não adição de qualquer poência proveniene de usinas a carvão, levando a inrodução de usinas érmicas a óleo. Por fim, na Figura 5 é apresenada a mariz obida pelo compromisso enre os dois objeivos, minimização do cuso sujeio a um nível de impaco ambienal, usando a écnica de oimização do épsilon-resrio. Nese caso, há uma expansão equilibrada enre as opções de cenrais a gás, carvão e eólica. Figura 2 Mariz energéica inicial. Figura 3 Mariz energéica minizando o cuso. Figura 4 Mariz energéica minimizando impaco ambienal. Figura 5 Mariz energéica de compromiso. 6

7 4 CONCLUSÕES Ese rabalho aborda uma oimização muliobjeivo da mariz energéica dos sisemas hidroérmicos com peneração de energia eólica, como o subsisema sul e nordese do Brasil. O planejameno é realizado com o objeivo de minimizar os cusos e impacos ambienais. A meodologia usada apresenou as seguines caracerísicas: Foco na misura de fones energéicas e não na escolha de projeos. Modelagem do parque hidrelérico (aual e fuuro) com usinas individualizadas, acoplameno hídricos e cenários de vazões afluenes. Modelagem da aleaoriedade da geração eólica aravés de cenários de aproveiameno. Modelagem de diferenes fones ermoeléricas, diferenes cusos operacionais e ambienais. Desa forma, o modelo proposo é esocásico, linear, conínuo e de dois eságios. As decisões sobre a paricipação de cada fone no sisema são omadas anes do eveno aleaório (primeiro eságio) e enão o cuso de operação é obido em diversos cenários de demanda, afluências naurais e geração eólica. O modelo é propício a écnicas de decomposição e algorimos de clássicos de oimização linear, como simplex e ponos ineriores, possibiliando a resolução com cuso compuacional baixo de problemas de grande pore, ou seja, com diversos cenários e horizone de planejameno de longo prazo (décadas). 7

8 5 REFERÊNCIAS [1] C. Yuan, F. Li y B. and Kuri, "Opimal power generaion mix owards an emission arge", IEEE Power and Energy Sociey General Meeing, [2] W. W. K. Cai, Y. Zhang y J. and Chen, "Scenarioa analysis on CO2 emissions reducion poenial in china's elecriciy secor", Energy Policy, pp [3] J. Goldemberg y L. and Prado, "The decabornizaion of he world's energy marix", Energy Policy, pp , [4] EPE, "Balanço Energéico Nacional", [5] F. L. Bronzarri y A. and Neo, "Marizes Energéicas no Brasil: cenários 2010 a 2030", XVIII Enconro Nacional de Engenharia de Produção, pp. 1-15, [6] C. Anunes, A. Marins y I. and Brio, "A muliple objecive mixed ineger linear programming model for power generaion expansion planning", Energy, pp , [7] M. Tolmasquim, A. Guerreiro y R. and Gorini, "Mariz energéica brasileira: Uma prospeciva", Novos esudos CEBRAP, [8] M. M. Filho, I. C. Nasser, D. S. Ramos y A. Pereira, "Análise de viabilidade écnico econômica das ermeléricas a carvão nacional: Enfoque sisêmico",