Seminário Técnico Sobre Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro. 11 e 12 de novembro 2014 Cédric Rogeaux EDF

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1 Experiência da EDF em Usinas Hidrelétricas Reversíveis na França. Seminário Técnico Sobre Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro. 11 e 12 de novembro 2014 Cédric Rogeaux EDF 1

2 1. Princípio Geral Sumario 2. Dimensionamentos clássicos das UHRs 3. As UHRs da EDF 4. Os serviços fornecidos pelas UHRs 5. EDF : protagonista mundial em matéria de UHRs 6. Desenvolvimento das UHRs na Europa 7. Tecnologias de Bombeamento 8. Perspectivas 2

3 1. Princípio Geral (1/3) Uma Usina Hidrelétrica Reversível (UHR) permite o armazenamento de energia mediante o bombeamento da água de um reservatório inferior para um reservatório superior. A energia assim armazenada pode ser posteriormente restituída por turbinagem. Vantagem: armazenar energia nos períodos de pouca demanda, quando ela é mais barata, e restituí-la nos períodos de pico, quando é cara. 3

4 1. Princípio geral (2/3) A eficiência do ciclo de uma UHR é geralmente de cerca de % Isto significa que para cada GWh de energia elétrica dispendido no bombeamento, recupera-se cerca de 0,75 GWh a 0,8 GWh de energia elétrica na geração Um exemplo na França, em 2000 : Preço do kwh nuclear em horário de menor consumo: 0,40 Preço do kwh hidráulico em horário de pico: 0,80 B/A =2 > 0,75 -> o armazenamento de energia é vantajoso «Ganha-se» cerca de 0,20 = 0,8*0,75-0,40 brutos por kwh armazenado 4

5 1. Princípio Geral (3/3) Ilustração de uma «semana típica» da UHR de Montezic : Fim de semana Semana Fim de semana 5

6 2. Dimensionamentos clássicos das UHRs (1/2) As grandezas que caracterizam as UHRs são as seguintes: A potência, que pode variar entre o bombeamento e a geração (se houver influência da gravidade, por exemplo); A vazão (de bombeamento e turbinada); A constante de tempo na geração: corresponde ao tempo necessário para esvaziar o reservatório superior ou encher o reservatório inferior, considerando a UHR funcionando a plena potência na geração. Inversamente, a constante de tempo no bombeamento: corresponde ao tempo necessário para encher o reservatório superior ou esvaziar o reservatório inferior, considerando a UHR funcionando a plena potência no bombeamento. A constante de tempo de uma UHR depende diretamente, portanto, do volume útil do menor de seus reservatórios e da vazão do equipamento. 6

7 2. Dimensionamentos clássicos das UHRs (2/2) Para cada UHR (volumes dos reservatórios e queda específicos), vários dimensionamentos são possíveis em função da potência instalada: UHR diária (tipo UHR de La Coche): A constante de tempo na geração é de cerca de 4 a 8 horas. A constante de tempo no bombeamento é de cerca de 5 a 10 horas. Este tipo de UHR funciona todos os dias e utiliza diariamente todo o volume disponível (esvaziamento do reservatório superior durante o dia e enchimento na noite seguinte). UHR semanal (tipo UHR de Montézic) : A constante de tempo na geração é de cerca de 20 a 30 horas. A constante de tempo no bombeamento é de cerca de 25 a 40 horas. Este tipo de UHR funciona todos os dias da semana e utiliza uma parte do volume. O reservatório superior é abastecido no final de semana por bombeamento contínuo, durante 25 a 40 horas. Outros tipos de UHRs são possíveis: sazonal, infra-diária. 7

8 3. As UHRs da EDF 8

9 A EDF explora 6 UHRs : 3. As UHRs da EDF + A UHR de Lac Noir (50 MW atualmente parada) Num ano, as UHR da EDF possibilitam o armazenamento médio de GWh Isto representa uma média de 700 h de geração e 800 h de bombeamento anuais por UHR 9

10 Situada nos Alpes, perto de Albertville Em funcionamento desde 1977 UHR de La Coche 4 grupos reversíveis com 5 estágios de 82 MW = 330 MW 930 m de queda Qt = 40 m3/s Qp = 30 m3/s UHR «mista» com afluência no reservatório superior que permite a geração de 400 GWh adicionais Projeto de acréscimo de um grupo Pelton 10

11 Situada nos Alpes perto de Grenoble Em funcionamento desde grupos reversíveis de 240 MW = 480 MW 250 m de queda Qt = 230 m3/s Qp =170 m3/s UHR diária, com afluência no reservatório superior que permite a geração de 650 GWh adicionais Um dos grupos está em fase de modificação para passar à velocidade variável UHR de Cheylas 11

12 UHR de Revin Situada na região de Ardennes, perto do rio Reno e da Alemanha Em funcionamento desde grupos reversíveis de 180 MW = 720 MW 250 m de queda, Qt = 400 m3/s Qp = 300 m3/s UHR diária «pura» (sem afluência no reservatório superior) Grande flexibilidade de utilização 12

13 UHR de Revin Corte 13

14 Situada nos Alpes UHR de Super Bissorte Em funcionamento desde grupos reversíveis com 5 estágios de 150 MW + 1 grupo Pelton de 130 MW = 730 MW m de queda, Qt = 76 m3/s Qp = 48 m3/s UHR «acrescentada» ao aproveitamento existente em Bissorte com afluência no reservatório superior que permite a geração de 250 GWh adicionais 14

15 UHR de Montezic Situada no Maciço Central Em funcionamento desde grupos reversíveis de 227 MW = 910 MW 420 m de queda Qt = 270 m3/s Qp = 200 m3/s UHR semanal «pura» (sem afluência no reservatório superior) Grande flexibilidade de utilização 15

16 UHR de Grand Maison Situada nos Alpes Em funcionamento desde grupos reversíveis com 4 estágios de 150MW + 4 grupos Pelton de 157 MW = 1790 MW 920 m de queda Qt = 210 m3/s Qp = 145 m3/s UHR semanal com afluência no reservatório superior que permite a geração de 200 GWh adicionais e com utilização turística do reservatório inferior no verão (variação do NA limitada) 16

17 4. Os serviços fornecidos pelas UHRs Armazenamento e transferência de energia, que, além da oferta rápida de energia em si, comportam outras vantagens: absorção de potência que permite evitar o desligamento das usinas (térmicas, por exemplo), melhor valorização da energia nuclear, venda de energia de ponta Religação das usinas nucleares francesas durante um «black start». Forte adaptabilidade (para cima e para baixo) que confere uma grande flexibilidade à rede. Reserva rápida de potência, essencial para a segurança da rede Serviços sistemas: regulação primária e secundária (tensão e frequência), compensador síncrono. 17

18 5. EDF : protagonista mundial em matéria de UHRs A EDF opera 6 UHRs de potência elevada na França há quase 40 anos, acumulando 764 anosgrupos de operação, o que a torna um protagonista mundial de primeiro plano na área das UHRs. A EDF também projeta UHRs (projetos novos ou sobreequipamento) na França e no mundo há várias décadas. Dentre eles, destacam-se : A construção da UHR de Afourer, no Marrocos : 465 MW, em funcionamento desde 2004 O repotencialização da UHR de Hongrin-Léman, na Suíça: Passagem de 240 a 480 MW, entrada em funcionamento em

19 6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (1/4) Panorama do armazenamento de energia na Europa EDF explora 5 GW de UHR, ou seja, 15 % do potencial instalado na Europa (32 GW) 19

20 6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (2/4) Dois principais períodos de desenvolvimento das UHR na Europa : : as UHRs acompanham o desenvolvimento Nuclear e permitem o armazenamento dessa energia : o desenvolvimento forte das energias renováveis (+ 30 GW de energia eólica na Alemanha, por exemplo), com grandes necessidades de armazenamento. 20

21 6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (3/4) Desde 2010, o desenvolvimento das UHRs foi fortemente reprimido na Europa, devido a uma série de razões: As fortes evoluções recentes do mercado de energia (crise econômica, energias renováveis, gás de xisto ) dificultam a visibilidade no longo prazo e, portanto, a elaboração de Planos de negócios confiáveis. O desenvolvimento intensivo das energias renováveis em determinados países «anulou» as diferenças de custo da energia entre horas de pico e horas de consumo reduzido, suprimindo em grande parte a rentabilidade desses esquemas. Na França, os encargos (taxas, acesso à rede ) oneram muito os custos e não estimulam o investimento. 21

22 6. Desenvolvimento das UHRs na Europa (4/4) Na França, os encargos (taxas, acesso à rede ) oneram muito os custos e não estimulam o investimento. Exemplo: Operationnal cost breakdown (6 UHR da EDF em 2010). 22

23 7. Tecnologias de Bombeamento Existem diversas tecnologias para unidades de bombeamento/geradoras, em função da altura das quedas e das especificidades do aproveitamento : Com grupos reversíveis Francis a velocidade fixa (estágio único ou múltiplos estágios). Com grupos ternários (Francis + Pelton num mesmo eixo). Com grupos reversíveis Francis a velocidade variável. Também existem várias tecnologias para acionar o funcionamento da bomba desses grupos: Back to back (utilização de uma turbina para acionar uma bomba). Conversor estático de frequência. Drenagem da bomba. Acionamento direto com uma turbina (grupos ternários). 23

24 Unidades geradoras reversíveis Alturas de queda Alturas de queda alcançadas com um rotor Francis pela Toshiba 24

25 Unidades geradoras reversíveis Esses grupos utilizam o mesmo rotor (Francis) para bombeamento e turbinagem. O número de estágios varia em função da queda: 1 estágio (queda de até 800 m) e múltiplos estágios (permite atender quedas maiores). Os grupos de 1 ou 2 estágios permitem a regulagem da potência da bomba. Esses grupos geram uma economia de custo civil. São os grupos mais utilizados atualmente, sendo bem conhecidos e controlados pelos construtores. 25

26 Grupos ternários (1/2) Uma Pelton e uma Francis acopladas no mesmo eixo. O bombeamento é feito pela Francis, que é acionada graças à Pelton. A turbinagem é feita pela Pelton. A potência de bombeamento pode ser modulada graças à Pelton. Custo civis elevado, porém transitórios hidráulicos menores. Sistemas com potência limitada (150 MW em média, podendo alcançar 250 MW). 26

27 Grupos ternários (2/2) UHR Hongrin Léman, Suíça. 27

28 Turbinas-bombas com velocidade variável (1/2) Estabilização da rede: Em modo bomba, controle e variação da potência consumida para uma determinada queda. Melhoria dos desempenhos hidráulicos: Rendimentos ótimos tanto em modo bomba como, e especialmente, em modo turbina, com faixa de funcionamento mais extensa. Grande variação de queda. G.D. Ciocan variable speed pump-turbine technology Vol 74, Iss 1,

29 Turbinas-bombas com velocidade variável (2/2) Controle dinâmico da potência entregue: Potência regulada tanto pelo distribuidor como pela velocidade do gerador. Resposta rápida às solicitações da Rede: Equilíbrio da rede. Menor necessidade de ligar e desligar a máquina. Mais energia armazenada. 29

30 La Rance UHR: usina maremotriz (1/2) Maior usina maremotriz do mundo entre 1966 e Serve de ponte entre Saint-Malo e Dinard. 24 unidades bulbo de 10 MW. Geração tanto vazante quanto na enchente. Bombeamento nas baixas quedas para aproveitar uma geração a quedas maiores. 30

31 La Rance UHR: usina maremotriz (2/2) Possibilidade de bombeamento (a) e ganho de queda durante a geração (b). Principalmente durante as grandes marés. 31

32 8. Perspectivas (1/2) As perspectivas de desenvolvimento das UHR são numerosas : Armazenamento de energias tradicionais (nuclear, hidrelétrica a fio d água ). Acompanhamento do desenvolvimento das energias renováveis (eólica e solar que são energias inevitáveis ). Otimização das redes isoladas (ilhas, sistemas radiais ). Aproveitamentos com objetivos múltiplos: irrigação por bombeamento, turismo A EDF contribui com sua experiência para o desenvolvimento das UHRs nas seguintes áreas: Definição das necessidades e análise técnico-econômica. Escolha das melhores localizações. Concepção geral e dimensionamento do aproveitamento. Acompanhamento da concepção e dimensionamento das turbinas. Monitoramento de realização. Operação e manutenção. 32

33 Perspectivas (2/2) : as UHRs marítimas Um dos possíveis eixos de desenvolvimento é a criação de UHRs marítimas, utilizando o mar como reservatório inferior. Existe uma única UHR deste tipo no mundo : a UHR de Okinawa no Japão 30 MW 150 m de queda Esse tipo de UHR apresenta as seguintes vantagens: Reservatório já existente (redução do custo) Facilidade de instalação numa ilha(sistema isolado) Baixo impacto sobre os recursos hídricos Mas também tem inconvenientes: Material resistente à agua salgada Necessidade de vedar o reservatório superior O desenvolvimento deste tipo de UHRs poderia ser uma das soluções para os problemas de armazenamento de energia no futuro. A EDF está estudando atualmente 2 UHRs deste tipo nas ilhas da Reunião e Guadalupe. 33

34 Obrigado. Ludington Estados Unidos Bath Country Estados Unidos Kruonis - Lituânia Ludington Goldisthal - Alemanha Etats Unis Cédric Rogeaux EDF DPIH CIH crogeaux@edfconsultoria.com.br 34