METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS NA HIDROELETRICIDADE

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1 PARANÁ - BRASIL Mtodologia para avaliação do impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad Curitiba, 10 d stmbro d 2008 METODOLOGIA PARA AVALIAÇÃO DO IMPACTO DAS MUDANÇAS CLIMÁTICAS NA HIDROELETRICIDADE HEINZ DIETER FILL, PhD m Engnharia Civil Ambintal Profssor Sênior MIRIAM RITA MORO MINE, Doutora m Engnharia d Rcursos Hídricos Profssora Associada LUIZ FERNANDO NASCIMENTO FERREIRA, Bolsista PET da Engnharia Civil Graduando m Engnharia Civil SERGIO AUGUSTO DE FREITAS JUNIOR, Bolsista d Iniciação Cintífica - CNPq Graduando m Engnharia Civil PALAVRAS-CHAVE: Mudanças climáticas Hidroltricidad Método da nrgia natural Enrgia firm RESUMO Est artigo aprsnta m linhas grais o método a sr mprgado os rsultados sprados do studo a sr ralizado dntro do projto CLARIS-LPB sob o impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad na bacia do rio da Prata. O método a sr utilizado basia-s nas sguints tapas: grador d séris sintéticas d chuva /ou vazão; modlo chuva-vazão mnsal; simulação do sub-sistma létrico; sumário conclusõs acrca das mudanças na nrgia firm vntualmnt nas possívis mudanças na stratégia d opração das usinas. Acrdita-s qu o studo proposto prmitirá obtr uma avaliação quantitativa do impacto d futuras mudanças climáticas na capacidad d gração d um conjunto d usinas hidrlétricas brasiliras da bacia do rio da Prata. Essa avaliação prmitirá também stimar a volução do risco d falha do sistma no longo prazo balizar mdidas corrtivas no planjamnto da xpansão. O studo d caso srá ralizado no subsistma sul-sudst brasiliro. Cntro Politécnico Jardim das Américas Caixa Postal CEP Fon: Fax: mrmin.dhs@ufpr.br ABSTRACT - This papr prsnts a gnral outlin of th mthod to b mployd and th xpctd rsults of th study that will b conductd within th projct CLARIS-LPB about th impact of climat chang in hydropowr in th La Plata basin. Th mthod is basd on th following stps: gnrator of synthtic sris of rainfall and/or stramflow; rainfall-runoff monthly modl; simulation of th subsystm; summary and conclusions about th changs of firm nrgy and prhaps possibl changs in th opration stratgy of hydropowr plants. It is blivd that th proposd study will provid a quantitativ assssmnt of th impact of futur climat chang in th gnration capacity of Brazilians hydroplants within th La Plata basin. This valuation will also stimat th volution of th risk of systm failur in th long trm and guid corrctiv masurs in th xpansion planning. Th cas study will b conductd in th Brazilian south-southastrn subsystm. 1

2 PARANÁ - BRASIL Mtodologia para avaliação do impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad Curitiba, 10 d stmbro d 2008 INTRODUÇÃO O prsnt artigo visa aprsntar uma mtodologia proposta para analisar o fito d possívis mudanças climáticas no futuro dsmpnho d um sistma prdominantmnt hidrolétrico, localizado nas rgiõs Sul Sudst do Brasil. O sistma létrico analisado é constituído plas usinas brasiliras situadas na bacia do rio da Prata. Apnas as usinas com potência suprior a 30 MW srão analisadas no studo (i.. não s lvará m conta a gração m Pqunas Cntrais Hidrlétricas - PCH) srá avaliada a capacidad d gração garantida do conjunto dssas usinas para difrnts cnários d mudanças climáticas futuras. Essa avaliação, cujo método é xposto nst artigo, insr-s no Projto d Psquisa CLARIS-LPB. PROJETO CLARIS-LPB O projto CLARIS-LPB tm por objtivo gral studar o Impacto das Mudanças Climáticas na Bacia do rio da Prata (LPB). Faz part do 7o. Programa da Comunidad Européia para Psquisa (FP7-ENV WPENV ). Participam dst projto m rd intrnacional 19 univrsidads instituiçõs d Psquisa da Comunidad Européia da América do Sul, ntr las a Univrsidad Fdral do Paraná (UFPR), qu através do Dpartamnto d Hidráulica Sanamnto (DHS), tm a tarfa d studar o Impacto das Mudanças Climáticas na Hidroltricidad. Um dos objtivos grais do projto é a dfinição d stratégias para adaptar os possívis cnários hidrológicos suas consqüências na hidroltricidad no príodo A figura 1 aprsnta um fluxograma gral do projto, conform aprsntado na proposta aprovada m 2007 (Boulangr, J.P., 2007) ond s dstacam principalmnt as atribuiçõs do DHS da UFPR. A figura 1 mostra qu o projto CLARIS-LPB stá dividido m quatro sub-projtos intr-rlacionados complmntars conform abaixo: 1) Atividads d grnciamnto, dissminação coordnação: WP1: Grnciamnto; WP2: Dissminação coordnação. 2) Hidroclima passado futuro: WP3: Mlhoria da dscrição da variabilidad climática rcnt na LPB; WP4: Variabilidad passada futura d baixa frqüência do hidroclima, tndências dsvios; WP5: Avaliação das mudanças climáticas rgionais na LPB (cnários rgionais); WP6: Procssos volução futura d vntos climáticos xtrmos na LPB. 3)Projto 3)Projto d intrfac: WP7: Uma intrfac para mlhorar a capacidad d prvr impactos sociais das mudanças climáticas. 4)Cnários 4)Cnários sócio-conômicos stratégias d adaptação/prvnção: WP8: Mudanças no uso do solo, agricultura implicaçõs sócio-conômicas; WP9: Rcursos hídricos na LPB no contxto das mudanças climáticas, ond s insr a psquisa do DHS quanto ao impacto na hidroltricidad corrspond a tarfa 9.6 da figura 1. As sguints tapas dvrão sr xcutadas: 9.16 Grador d séris sintéticas d chuva /ou vazão para o Sul/Sudst do Brasil dsnvolvido validado; 9.17 Modlo chuva-vazão mnsal para o Sul/Sudst do Brasil validado; 9.18 Simulação do sub-sistma Sul/Sudst brasiliro para difrnts cnários d clima; 9.19 Sumário conclusõs acrca das mudanças na nrgia firm vntualmnt nas possívis mudanças na stratégia d opração das barragns do subsistma brasiliro Sul/Sudst. MÉTODO A SER EMPREGADO A psquisa proposta dvrá contmplar cinco tapas qu prcisam sr dsnvolvidas sqüncialmnt, pois os rsultados d cada tapa constitum-s m dados d ntrada da tapa sguint. Entrtanto, programas d computador ncssários nas difrnts tapas podrão sr dsnvolvidos tstados antcipadamnt. As principais tapas do studo são: 1. Colta d dados pluvio-fluviométricos hidronrgéticos nas bacias d intrss (grands bacias contribuints do rio da Prata ond xistm usinas hidrlétricas d grand port). Esss dados constitum-s ssncialmnt m séris d vazõs /ou prcipitaçõs mnsais ao longo d um príodo histórico d no mínimo 50 anos dados opracionais das usinas hidrlétricas ncssários às simulaçõs hidronrgéticas (potência instalada, volum útil do rsrvatório, quda líquida média, rndimnto global médio, ára d drnagm localização dntro da ára d drnagm). A figura 2 mostra um diagrama squmático d localização d cada usina do 2

3 PARANÁ - BRASIL Mtodologia para avaliação do impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad Curitiba, 10 d stmbro d 2008 sub-sistma Sul/Sudst do sistma létrico brasiliro. A tabla 1 lista os principais locais qu srão utilizados para modlar as caractrísticas fluviométricas d cada bacia abrangida plo studo. 2. Dfinição d cnários climáticos futuros basados principalmnt m hipótss d concntração d gass d fito stufa na atmosfra para o horizont Esss cnários dvrão sr laborados por outro grupo d psquisa do projto CLARIS LPB, através d modlos d circulação global (GCM) modlos d downscaling, m nívl das grands bacias hidrográficas (> km2) contribuints da bacia do rio da Prata. As variávis rlvants srão a prcipitação a tmpratura sndo a scala tmporal mnsal qu é a scala usual m simulaçõs hidronrgéticas no Brasil (Fortunato t al. 1990), Gomid (1986). Para a scala spacial adotar-s-á um posto fluviométrico para uma ára d drnagm incrmntal d até km2 plo mnos um posto m cada aflunt principal da bacia ond xistm usinas hidrolétricas maiors d 30 MW. As prcipitaçõs tmpraturas mnsais srão dfinidas para as áras abrangidas por sss locais (incrmntais s houvr mais d um local na bacia). Para as séris históricas, as prcipitaçõs tmpraturas srão stimadas plo método d Thissn para os cnários climáticos futuros dvrão sr forncidas plo grupo GCM/downscaling na forma d séris psudohistóricas (sqüência d prcipitaçõs futuras mais provávis sob a hipóts do cnário apropriado) d 50 anos. 3. Obtnção d séris d vazõs para os difrnts cnários nos locais rprsntativos d cada bacia hidrográfica. Inicialmnt dv-s procdr a scolha ou o dsnvolvimnto d um modlo d transformação chuva-vazão na scala mnsal apropriado para bacias hidrográficas grands ( km2 a km2) qu inclua a tmpratura como variávl xplicativa. Prtnd-s, m princípio, utilizar um método d transformação chuva-vazão basado m rds nurais artificiais (RNA) qu na scala mnsal, aparntmnt conduzm a rsultados mlhors do qu outros modlos basados na modlagm d médias mnsais dos procssos hidrológicos, tais como intrcptação, infiltração, vapotranspiração, rtnção scoamntos suprficial subtrrâno (Machado, 2005, Machado t al., 2008). Ess modlo d transformação chuvavazão, basado m RNA, dvrá sr calibrado validado nas principais bacias contribuints, usando dados do príodo histórico para avaliar a sua adquação às finalidads do studo. O modlo proposto por Machado t al (2008), qu s prtnd usar nsta tapa da psquisa, utiliza RNA com a sguint arquittura: Multilayr Prcptron MLP com 3 camadas, sndo qu a camada d ntrada não tm função transfrência. Todos os nurônios da camada intrmdiária da camada d saída têm uma função transfrência do tipo sigmóid linar rspctivamnt. Para idntificar a mlhor forma funcional, Machado t al. (2008) criaram 24 RNA variando o númro d nurônios das camadas intrmdiárias. A saída das RNA é smpr vazão. Cada combinação d saídas foi chamada d um modlo (vr tabla 2). Para cada modlo, 3, 5, 8 10 nurônios foram usados na camada intrmdiária prfazndo um total d 24 combinaçõs. Variando-s o númro d nurônios na camada intrmdiária o númro d ntradas é possívl avaliar a snsibilidad da RNA m trmos da sua arquittura. Em rsumo, Machado t al. (2008) usaram: númro d camadas igual a 3; númro d ntradas igual a 3, com dados iniciais variando m um príodo d 60, 120 ou 180 mss; númro d nurônios na camada intrmdiária variando ntr 3, 5, 8 10; pochs variando ntr 30, 60 90; função rsposta variando ntr os 6 modlos citados na tabla 2. A combinação, durant o trinamnto, da arquittura da rd, dos dados d ntrada, do númro d inicializaçõs d itraçõs gra um grand númro d rsultados para anális, sndo qu Machado t al (2008) obtivram 1296 valors. D todos sts rsultados dv-s buscar o qu tnha maior coficint d corrlação, mnor raiz do rro médio quadrático mnor difrnça prcntual ntr os volums scoados os volums calculados pla RNA. Após a validação calibração do modlo chuva-vazão as séris psudohistóricas d chuvas srão transformadas m séris d vazõs m cada um dos locais listados na tabla 1 para cada um dos cnários climáticos. 3

4 PARANÁ - BRASIL Mtodologia para avaliação do impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad Curitiba, 10 d stmbro d 2008 Figura 1 Fluxograma gral do projto CLARIS-LPB 4

5 PARANÁ - BRASIL Mtodologia para avaliação do impacto das mudanças climáticas na hidroltricidad Curitiba, 10 d stmbro d 2008 Figura 2 Usinas do sub-sistma Sul/Sudst Brasiliro 5

6 Tabla 1 Caractrísticas das staçõs fluviométricas Código Nom Rio Bacia Itumbiara Rio Paranaíba Furnas Rio Grand Faznda Santa Fé Rio Paranaíba Rifaina Rio Grand Água Vrmlha Rio Grand Lussanvira Rio Titê Balsa do Paranapanma Rio Paranapanma Usina Capivara Rio Paranapanma Guaíra Rio Paraná Salto Cataratas Rio Iguaçu Iraí Rio Uruguai Rio Uruguai (7) Tabla 1 Caractrísticas das staçõs fluviométricas (continuação) Código Nom Coordnadas Latitud Longitud -49:12:00 Ára (km²) Estado Altitud (m) Itumbiara -18:25: Furnas -20:40:00-46:18: Faznda Santa Fé -19:08:00-50:37: Minas Grais Rifaina -20:05:00-47:23: São Paulo Água Vrmlha -23:33:00-46:21: Lussanvira -20:42:00-51:07: São Paulo Balsa do Paranapanma -22:39:00-51:20: Paraná Usina Capivara -22:38:00-51:24: São Paulo Guaíra -24:04:10-54:14: Paraná Salto Cataratas -25:40:59-54:25: Paraná Iraí -27:11:25-53:15:55 200, Rio Grand do Sul - Goías - Minas Grais São Paulo Tabla 2 - Modlos d RNA propostos por Machado t al. (2008) MODELO ENTRADAS SAÍDAS 1 P (t) EVT (t) Q³(t) 2 P(t) EVT(t) Q (t-1) 3 P(t-1) P(t) EVT(t-1) EVT(t) 4 P(t-1) P(t) EVT(t-1) EVT(t) Q(t-1) 5 P(t-2) P(t-1) P(t) EVT(t-2) EVT(t-1) EVT(t) 6 P(t-2) P(t-1) P(t) EVT(t-2) EVT(t-1) EVT(t) Q(t-2) Q(t-1) P: prcipitação média mnsal (mm/mês); EVT: vapotranspiração potncial (mm/mês); Q: vazão média mnsal (m³/s).

7 Amax - armaznamnto máximo do sistma 4. As séris d vazõs nos locais rprsntativos srão transfridas para os locais d usinas; lá srão transformadas m nrgias naturais aflunts cuja soma constitui a nrgia natural do sistma. Igualmnt, os volums útis dos rsrvatórios srão agrgados m um único rsrvatório d nrgia. Ess procsso d agrgação constitui a ssência do chamado método da nrgia natural utilizado pla primira vz plo grupo d studos dnominado Canambra (1966) Canambra (1969). O método da nrgia natural prmit ntão simular um sistma d muitas usinas hidrlétricas intrligadas como uma única usina quivalnt qu rcb afluências d nrgia, variávis no tmpo, conta com um único rsrvatório d rgularização d nrgia. Como já foi dstacado pla Canambra (1969), ss método conduz a rsultados bastant prcisos m sistmas com rios rgularizados ou sm rgularização nnhuma. Fill (1980) mostrou qu no caso concrto do sistma létrico das rgiõs Sul Sudst do Brasil o rro na avaliação da nrgia firm é infrior a 5%, qu é a ordm d grandza do rro na stimativa das vazõs. (MW mês) Vútil j - volum útil do rsrvatório j (106 m3) K i - produtividad da usina i (MW/m3/s) R - conjunto dos rsrvatórios do sistma J j - conjunto das usinas a jusant do rsrvatório j Dtrminada a séri d afluências d nrgias E(t) o armaznamnto máximo Amax, a simulação para obtnção da nrgia firm do sistma procd conform o squma abaixo: k B i UBk [ K i aiqk' ( t ) + biqk" ( t ) ] (1) ond: E(t) nrgia natural aflunt ao sistma (MWmédio) Qk', Qk" - vazõs rprsntativas da bacia k 3 (m /s) ] E (t ) / T A(0) = Amax 1) Para t = 1,2,..., T A(t 1) D + E (t ) A(t ) = min Amax s : A(t ) = Amax : n = 0 snão n = n + 1 A(t ) < 0 s D = D + A(t ) / n Volta para 1) As quaçõs utilizadas no procsso d agrgação são as sguints: E (t ) = [ D= E firm = D Est squma d simulação pod sr mlhorado usando o concito d nrgia controlávl, calculada como: Ec (t ) = j R Q j (t ) K i (3) i J j ai, bi - coficints d transfrência d vazõs ond Q j (t ) = a j Qk (t ) + b j Qk (t ) UBk - conjunto d usinas na bacia k aflunt ao rsrvatório j os dmais símbolos já foram dfinidos. K i = gh iη i / produtividad da usina i (MW/m3/s) g - aclração da gravidad (9,8 m/s2) H i - quda líquida média da usina i (m) η i - rndimnto global médio da usina i ond: j R " é a vazão Nst caso, o cálculo d A(t ) srá: B conjunto d bacias Amax = ' (Vútil j / 2,628) K i i J j (2) A(t 1) D + E (t ) A(t ) = min A(t 1) + Ec (t ) A max Tanto a agrgação das vazõs m nrgias naturais como as simulaçõs para obtnção da nrgia firm srão ftuadas tanto para a séri histórica como também para as séris psudo-históricas obtidas para cada um dos cnários climáticos analisados.

8 5. Gração d séris sintéticas d nrgias naturais aflunts ( vntualmnt a nrgia controlávl). A partir das séris históricas psudo-históricas corrspondnts aos cnários climáticos futuros d nrgias naturais srão gradas 1000 séris sintéticas quiprovávis usando-s um modlo AR(1) com distribuição lognormal (LP3) para as nrgias médias anuais qu srão dsagrgadas m nrgias naturais mnsais por um modlo d cnários hidrológicos (Groszwicz t al., 1991). O modlo lognormal com dsagrgação mnsal tm uma longa tradição no stor létrico brasiliro (Fortunato t al., 1990, Klman, 1987) mbora outros modlos, como PAR(p) (Klman, 1987) têm sido tstados rcntmnt. pod balizar mdidas corrtivas planjamnto da xpansão do sistma. As séris sintéticas dvrão sr comparadas à séri histórica, usando como parâmtro d comparação o máximo déficit acumulado como proposto por Nira (2005) Fill Nira (2008) m um studo d rgularização do sistma Sul-Sudst do Brasil. Prtnd-s mostrar, também, a rlação da nrgia garantida m função do risco, o qu prmitirá vrificar a variação do risco para cada um dos cnários climáticos analisados. 6. Simulação das séris sintéticas obtnção da nrgia garantida. As séris sintéticas srão simuladas usando o método da nrgia natural como dscrito no itm 4., obtndo para cada uma das 1000 séris a nrgia firm. Essas nrgias srão classificadas m ordm d i com crscnt dnotadas por i = 1,2,...,1000 d1 d 2... d N. A probabilidad do sistma sr capaz d atndr uma dmanda igual ou mnor a d i, isto é, a confiabilidad do sistma é dada pla sua frqüência rlativa: Pr ob( D d i ) = i 1000 O risco d falha associado a uma dmanda igual a d i srá ntão: Pr ob( falha / D = d i ) = 1 i 1000 Para cada cnário também para as condiçõs implícitas na séri histórica srão obtidos diagramas nrgia garantida m função do risco. Nsss gráficos, dvrá sr indicado também o valor da nrgia firm para a séri histórica cada uma das séris psudohistóricas associadas aos cnários climáticos. RESULTADOS ESPERADOS Acrdita-s qu o studo proposto prmit obtr uma avaliação quantitativa do impacto d futuras mudanças climáticas na capacidad d gração do conjunto d cnários brasiliros da bacia do rio da Prata. Essa avaliação prmit também stimar a volução do risco d falha do sistma no longo prazo no Prtnd-s, m principio, aprsntar os rsultados para três cnários futuros (otimista, mais provávl pssimista), indicando a variação prcntual da nrgia garantida m nívl d 5% (critério adotado pla ELETROBRÁS) m rlação aos valors basados na séri histórica d vazõs. Também dvrá sr aprsntada a disponibilidad da nrgia firm scundária, calculadas a partir das séris histórica psudo-históricas d cada cnário. A nrgia scundária prmit stimar o limit d gração térmica complmntar viávl (Canambra, 1966). Dvido a incrtzas sobr a volução futura do sistma grador do mrcado d nrgia létrica, todas as análiss srão ftuadas para uma configuração stática constituída plas usinas mostradas na figura 2. A xtrapolação dos rsultados dst studo para configuraçõs incluindo usinas futuras planjadas uma volução do mrcado só é viávl s a hipóts d impactos d mudanças climáticas similars para os sistmas futuros for razoávl. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS BOULANGER, J-P A Europ-South Amrica Ntwork for Climat Chang Assssmnt and Impact Studis in La Plata Basin. (CLARIS LPB) Part B, CANAMBRA ENGINEERING CONSULTANTS. Powr Study of South Brazil. Rio d Janiro: Canambra Enginring Consultants, v. CANAMBRA ENGINEERING CONSULTANTS. Powr Study of South Brazil. Rio d Janiro: Canambra Enginring Consultants, v. FILL, H. D., O método da nrgia natural como técnica d simulação m studos nrgéticos. Rvista Técnica do Instituto d Engnharia do Paraná, n. 20, p , FIIL, H. D., NEIRA, K. L. (2008), Curvas d Rgularização para Rsrvatórios Parcialmnt Chios com Confiabilidad Constant. Rvista Brasilira d Rcursos Hídricos. ABRH, v.13, p , 2008.

9 FORTUNATO,L.A.M., ARARIPE NETO, T. A., ALBUQUERQUE, J. C. R., PEREIRA, M. A. F. Introdução ao planjamnto da xpansão opração d sistmas d produção d nrgia létrica. Rio d Janiro: Editora Univrsitária Univsidad Fluminns, GOMIDE, F. L. S. Toria stocástica d rsrvatórios aplicada ao planjamnto d sistmas hidrlétricos. Curitiba, paginação irrgular. Ts (Titular), Dpartamnto d Hidráulica Sanamnto, Univrsidad Fdral do Paraná. GROSZEWICZ, R. C., KAVISKI, E., ILLICH, I., MACHADO, J. F. P. Avaliação d três métodos d dsagrgação d afluências. In: Simpósio Brasiliro d Rcursos Hídricos, 9., 1991, Rio d Janiro. Anais, p , Rio d Janiro: v.1. KELMAN, J. Modlos stocásticos no grnciamnto d rcursos hídricos. In: ABRH. Modlos para o grnciamnto d rcursos hídricos. São Paulo: Nobl, v.1. MACHADO, F. Modlagm chuva-vazão mnsal utilizando rds nurais artificiais. Dissrtação d Mstrado, Univrsidad Fdral do Paraná, Curitiba, Paraná, Brasil, MACHADO, F.,MINE, M.,KAVISKI, E., FILL, H. Monthly rainfall-runoff modling using artificial nural ntworks, Hydrological Scincs Journal, IAHS. Submtido para rvisão m agosto d NEIRA, K. L. Curvas d Rgularização para Rsrvatórios Parcialmnt Chios Confiabilidad Constant. Curitiba: UFPR, p. 10 anxos. Dissrtação (Mstrado m Engnharia d Rcursos Hídricos Ambintal) Stor d Tcnologia. Univrsidad Fdral do Paraná, 2005.