3 Planejamento da Operação Energética no Brasil

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1 3 Planeameno da Operação Energéca no Brasl 3.1 Aspecos Geras O ssema elérco braslero é composo por dos dferenes pos de ssemas: os ssemas solados, os quas predomnam na regão Nore do Brasl e represenam cerca de 2% do consumo naconal de energa elérca, e o Ssema Inerlgado Naconal (SIN), o qual é composo por dos grandes subssemas elércos nerlgados enre s. Denre os subssemas do SIN, o prmero abrange às regões Sul, Sudese e Cenro Oese do país (subssema S/SE/CO), sendo o responsável por aproxmadamene 79% do seu consumo de energa elérca. Já o segundo subssema corresponde à regão Nordese e a pare da regão Nore do Brasl (subssema N/NE), responsablzando-se por ouros 21% do consumo de elercdade no âmbo do SIN [19]. Cabe ressalar que, desde de 1998, 1000 Km de lnhas de ransmssão nerconecam os subssemas S/SE/CO e N/NE. É mporane observar que o Ssema Inerlgado Naconal compreende 110 usnas hdrelércas e 50 usnas ermelércas, o que o caracerza como um ssema hdroérmco 11. Denre as prncpas caraceríscas dese po de ssema ressalase a exsênca de uma fore relação enre a decsão da operação omada no presene e a sua conseqüênca fuura [20][21][22][23]. Noe que, se no presene for ulzada água em excesso, o cuso de operação do ssema pode vr a ser alo no fuuro caso as afluêncas não seam sufcenes para repor a água dos reservaóros das usnas hdrelércas. Isso ocorre porque o aendmeno à carga erá que ser feo aravés do uso de geração érmca, exsndo anda a possbldade de que sea necessáro corar carga devdo à fala de capacdade de geração no ssema. 11 Cabe ressalar que as usnas hdrelércas correspondem a, aproxmadamene, 83% da capacdade nsalada do SIN [24].

2 50 Por ouro lado, se no presene a geração érmca for ulzada em excesso, no fuuro poderá ser necessáro verer a água dos reservaóros se um período hdrológco favorável ver a ocorrer, o que represenara um desperdíco de energa. Sendo assm, dz-se que o problema de planeameno da operação energéca de ssemas hdroérmcos é acoplado no empo. As conseqüêncas do processo de decsão da operação energéca de um ssema hdroérmco se enconram lusradas na Fgura 3.1. Fgura 3.1 Conseqüêncas Operavas de um Ssema Hdroérmco Além de acoplado emporalmene, noe que o problema da operação de ssemas hdroérmcos ambém é esocásco. Esa caracerísca esá dreamene relaconada às ncerezas exsenes sobre o nível das afluêncas fuuras às usnas hdrelércas no momeno em que a decsão operava é omada. Esa caracerísca raz consgo a necessdade de se comparar, connuamene, o benefíco do uso medao da água com o benefíco fuuro do seu armazenameno. O benefíco do uso medao da água pode ser represenado aravés da Função de Cuso Imedao (FCI), a qual represena os cusos explícos das usnas ermelércas que esaram operando no presene 12. Por ouro lado, o benefíco de armazenar a água no presene para usá-la no fuuro pode ser represenado deermnando-se uma função que represene o cuso fuuro de operação do ssema (FCF). Cabe ressalar que aqu, a palavra fuuro não sgnfca apenas um nsane depos, e sm odos os nsanes fuuros aé o fm do 12 O cuso explíco de uma usna ermelérca é dado, predomnanemene, pelo cuso do combusível por ela ulzado, por exemplo, o gás naural, o carvão, enre ouros.

3 51 horzone de esudo, pcamene de 5 a 10 anos. Tano a FCF quano a FCI se enconram lusradas na Fgura 3.2. Fgura 3.2 Função de Cuso Imedao e Função de Cuso Fuuro Na fgura aneror, noe que os valores da FCF e da FCI são represenados em função do volume fnal armazenado nos reservaóros das usnas hdrelércas. Como é de se esperar, a FCI aumena com o volume fnal armazenado nos reservaóros. Iso ocorre porque a decsão de economzar água no presene esá relaconada a um maor gaso com geração érmca no eságo aual para o aendmeno da carga. Por ouro lado, a FCF dmnu com o volume fnal armazenado nos reservaóros. Isso ocorre porque a decsão de economzar água no presene esá relaconada a um menor uso de geração érmca no fuuro. Enende-se que o uso ómo da água armazenada nos reservaóros é aquele que mnmza a soma do cuso de geração érmca no presene e do valor esperado do uso de geração érmca aé o fm do horzone de esudo. Esa suação pode ser represenada pelo pono de mínmo da curva formada pela soma da FCI com a FCF (Fgura 3.3), ou sea, o pono onde as dervadas de ambas as funções em relação ao volume fnal armazenado nos reservaóros se gualam em módulo. Maemacamene: (FCI + FCF) V = FCI FCF + V V = 0 FCI V FCF = V

4 52 Fgura 3.3 Decsão Óma para o Uso da Água As dervadas ( FCI / V) e ( FCF / V) são conhecdas como valores da água. Desa forma, conclu-se que o valor da água armazenada nos reservaóros não é nulo, pos a mesma possu um valor relaconado ao cuso de oporundade de a economzarmos hoe para o seu uso no fuuro. Além do seu acoplameno emporal e da esocascdade de suas afluêncas fuuras, ouras caraceríscas são mporanes para o planeameno da operação do ssema hdroérmco braslero. Enre essas caraceríscas desaca-se a presença de períodos secos pluranuas nos regsros de afluêncas hsórcas, a capacdade de regularzação pluranual dos seus reservaóros, o fao de que a água urbnada ou verda por uma usna hdrelérca a monane afea as usnas a usane, e, fnalmene, a exsênca de uma consane escolha enre o cuso de operação do ssema e o nível de confabldade no aendmeno da sua carga. [23]. Uma vez conhecdas as prncpas caraceríscas que envolvem a operação dos ssemas hdroérmcos é possível enender a mporânca do seu planeameno, cuo prncpal obevo se resume em defnr uma políca de operação capaz de suprr a carga e mnmzar o cuso de operação do ssema ao longo do horzone esudado. Na próxma seção, o planeameno da operação energéca no Brasl será dscudo. Em parcular, serão descras algumas caraceríscas do modelo compuaconal NEWAVE [15], o qual é aualmene empregado para execuar o planeameno da operação de médo prazo no Ssema Inerlgado Naconal, e para execuar o planeameno da expansão de curo prazo aravés do Plano Decenal.

5 Planeameno da Operação Energéca de Médo Prazo no Brasl Crado em 26 de agoso de 1998, o Operador Naconal do Ssema Elérco (ONS) é a endade naconal responsável pela realzação do planeameno, programação e despacho dos recursos de geração e ransmssão de energa elérca no Brasl. Com o obevo de realzar o planeameno da operação de médo e curo prazo, além da programação dára da operação do SIN, o ONS ulza uma cadea de modelos compuaconas desenvolvdos pelo Cenro de Pesqusas em Energa Elérca (CEPEL). Tas modelos são o modelo NEWAVE [15], desenvolvdo para o planeameno de médo prazo (5 a 10 anos), o modelo DECOMP [25], desenvolvdo para a avalação no horzone de curo prazo (1 ano), e o modelo DESSEM [26], ulzado para a programação dára da operação (uma a duas semanas). Conforme cado na seção 2.7, a ncereza écnca dos proeos MDL será consderada nese rabalho proeando-se dferenes cenáros para a energa elérca deslocada pela sua avdade. Uma vez que as regras do MDL deermnam que o período mínmo para a obenção das RCEs é gual a 7 anos, enende-se que o planeameno da operação energéca consderado nesa análse deve se esender, no mínmo, ao longo dese período. Sendo assm, o modelo NEWAVE será a ferramena ulzada nese rabalho para realzar o planeameno da operação energéca ao longo do período de avdade do proeo MDL. O prncpal obevo dese modelo é calcular, para cada mês do horzone de planeameno, a alocação óma dos recursos hídrcos e érmcos do ssema, a qual mnmza o valor esperado do seu cuso oal de operação. De forma smplfcada, pode-se dzer que a modelagem empregada nos problemas de planeameno da operação energéca de ssemas hdroérmcos, e, conseqüenemene, ambém empregada no modelo NEWAVE, esá de acordo com o segune problema de programação lnear 13 [27]: 13 A modelagem apresenada é smplfcada pos não consdera algumas caraceríscas dese po de problema, enre elas o fao de que a produção de energa de uma usna hdrelérca é uma função não lnear do volume armazenado em seu reservaóro e que o cuso de operação de uma usna ermelérca é uma função não lnear do seu nível de geração. Além dsso, na

6 54 Mnmzar E G, Def, u,s, V s.a. nh n ρ u + = 1 = 1 V V u s, mn G + 1, mn, mn, mn = V V u s a G - u V u s T = 1 = 1 G - s, max G n c G + Def, max + a, max, max + c def = D Def + (u { m U() m + s m ) = 1,..., T = 1,..., nh ; = 1,..., T = 1,..., nh ; = 1,..., T = 1,..., nh ; = 1,..., T = 1,..., nh ; = 1,..., T = 1,..., n ; = 1,..., T (3.1) (a) (b) (c) (d) (e) (f) onde: E a [.] operador valor esperado (as ncerezas esão nas afluêncas aos reservaóros) ssema T horzone do planeameno da operação energéca n números de usnas ermelércas no ssema nh número de usnas hdrelércas no ssema c cuso de operação da -ésma usna ermelérca do ssema G - despacho da -ésma usna ermelérca do ssema no eságo c def cuso de défc do ssema Def défc de energa no eságo ρ coefcene de produção (MWh/hm 3 ) da -ésma usna hdrelérca do u - volume urbnado pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo D - carga a ser suprda no eságo formulação apresenada a esocascdade esá presene somene nas afluêncas, porém ambém exsem ncerezas quano a carga a ser aendda, ao cronograma de enrada em operação de novas undades geradoras, ec.

7 55 V - volume armazenado no reservaóro da -ésma usna hdrelérca no níco do eságo 1 V + - volume armazenado no reservaóro da -ésma usna hdrelérca no fnal do eságo (níco do eságo +1) eságo s - volume verdo pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo a - afluênca laeral que chega a -ésma usna hdrelérca do ssema no U() conuno de usnas hdrelércas a monane da -ésma usna hdrelérca do ssema,mn V - lme mínmo de armazenameno do reservaóro da -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,max V - lme máxmo de armazenameno do reservaóro da -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,mn u - lme mínmo para o volume urbnado pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,max u - lme máxmo para o volume urbnado pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,mn s - lme mínmo para o volume verdo pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,max s - lme máxmo para o volume verdo pela -ésma usna hdrelérca do ssema no eságo,mn G - despacho mínmo da -ésma usna ermelérca do ssema no eságo,max G - despacho máxmo da -ésma usna ermelérca do ssema no eságo

8 56 A função obevo do problema formulado anerormene represena a mnmzação do valor esperado do cuso de operação do ssema ao longo de odo o horzone de planeameno da operação energéca. A ncereza do problema esá relaconada às afluêncas fuuras aos reservaóros, que por sua vez não são conhecdas anecpadamene. A resrção (a) represena a equação de aendmeno à carga do ssema, devendo ser represenada para odo horzone de planeameno da operação. A resrção (b) represena a equação de balanço hídrco de cada uma das usnas hdrelércas do ssema. Esa resrção ndca que o volume fnal no reservaóro de uma deermnada usna em um eságo deve ser gual ao volume ncal nese mesmo eságo, menos o volume urbnado pela usna, menos o volume verdo pela usna, mas a afluênca laeral que chega ao seu reservaóro, mas o volume que chega ao reservaóro da usna devdo à decsão de vermeno ou urbnameno das usnas hdrelércas a monane. Esa resrção deve ser represenada para odas as usnas hdrelércas do ssema e odo o horzone de planeameno da operação. As resrções (c), (d) e (e) represenam os lmes mínmo e máxmo de armazenameno nos reservaóros das usnas hdrelércas, além de represenar os volumes mínmo e máxmo de urbnameno e de vermeno desas usnas. Esas resrções ambém devem ser represenadas para odas as usnas hdrelércas e odo o horzone de esudo. Fnalmene, a resrção (f) represena os lmes mínmo e máxmo de geração das usnas ermelércas do ssema. Esa resrção deve ser represenada para odas as ermelércas e odo o horzone de esudo. Para represenar a esocascdade das afluêncas, o modelo NEWAVE ulza um grande número de cenáros de afluêncas fuuras às usnas hdrelércas. Como a esraéga de operação deve ser calculada para odas as combnações de níves de armazenameno e endêncas hdrológcas 14, o problema da operação óma do ssema orna-se rapdamene nraável do pono de vsa compuaconal. Esa caracerísca ambém é conhecda como a maldção da dmensonaldade e nroduz resrções compuaconas na solução do problema. 14 O ermo Tendênca Hdrológca é usualmene empregado no Seor Elérco Braslero para caracerzar as afluêncas passadas aos reservaóros num período de, em geral, 12 meses.

9 57 Para ldar com o problema da maldção da dmensonaldade, o modelo NEWAVE ulza a écnca de programação dnâmca dual esocásca no seu processo de solução. Além dsso, o modelo ulza o arfíco de grupameno das usnas hdrelércas em reservaóros equvalenes, ou sea, ao nvés de consderar o reservaóro de cada usna hdrelérca ndvdualmene, o modelo NEWAVE agrupa eses reservaóros em um únco reservaóro denro de cada subssema elérco. Desa forma, na formulação apresenada em 3.1, o número de usnas hdrelércas especfcado fcara reduzdo ao número de reservaóros equvalenes exsenes no ssema. Uma vez que o modelo NEWAVE 15 é ulzado nese rabalho para realzar o planeameno da operação energéca de médo prazo do Ssema Inerlgado Naconal, alguns dos seus prncpas resulados merecem ser desacados para os fns dese esudo: as meas mensas de geração hdráulca por subssema equvalene (em MWmédo); os valores mensas da água, por subssema equvalene, ao longo do horzone de esudo (em R$/MWh); os valores mensas de geração érmca por classe de usnas érmcas 16 MWmédo); (em os valores mensas esperados dos cusos margnas de operação por subssema equvalene (em R$/MWh); os valores mensas de nercâmbo de energa enre os subssemas equvalenes (em MWmédo); Conforme será descro no Capíulo 4, cabe ressalar que eses resulados são essencas para o cálculo da lnha de base dos proeos MDL que se enconram conecados ao SIN. Também é mporane observar que os resulados do modelo NEWAVE podem ser obdos para dferenes cenáros hdrológcos. Nese caso 15 Nese rabalho fo ulzada a versão 12.3 do modelo NEWAVE. 16 Defne-se por classe érmca o grupo de usnas que possuem o mesmo cuso de operação e eseam localzadas no mesmo subssema elérco.

10 58 podem ser consderadas séres hsórcas, ou sea, séres anuas observadas no período de 74 anos (1931 a 2004), ou séres snécas, séres geradas pelo modelo compuaconal GEVAZP [23], ambém desenvolvdo pelo CEPEL. Em geral, quando ulzada a segunda alernava, 2000 cenáros hdrológcos são ulzados. É mporane desacar que o modelo NEWAVE é aualmene empregado ano na realzação do planeameno da operação quano na realzação do planeameno da expansão de curo prazo (horzone decenal) do Ssema Inerlgado Naconal. No prmero caso, para uma confguração prevsa do parque gerador e das nerlgações do SIN, o modelo NEWAVE é empregado como um modelo de omzação, cuo obevo é alocar de manera óma a ulzação dos recursos hdrelércos e ermelércos do ssema, mnmzando o seu cuso esperado de operação e garanndo o aendmeno de sua demanda de energa. Por ouro lado, sabe-se que a avdade de planeameno da expansão do ssema elérco braslero em por obevo defnr um cronograma de obras de novos proeos (usnas geradoras e nerlgações enre subssemas), que por sua vez vsa aender à prevsão de demanda do ssema, mnmzando a soma dos cusos de nvesmeno e operação, e obedecendo a deermnados créros de confabldade. Nese caso, o modelo NEWAVE é ulzado denro de um processo eravo de enava e erro, no qual para um dado cronograma de novas obras, a operação do ssema é smulada. Sendo assm, para um dado cronograma de obras analsado, em-se a soma dos cusos de nvesmeno e operação assocada a deermnados índces de confabldade. Nesa abordagem o cronograma de obras é alerado e o processo eravo connua aé que sea obda uma confguração que aenda aos créros de cuso e confabldade pré-esabelecdos. Uma vez que o modelo NEWAVE é aualmene ulzado pelo Mnséro de Mnas e Energa (MME) e pela Empresa de Pesqusa Energéca para execuar o planeameno da expansão de curo prazo aravés do Plano Decenal de Expansão de Energa Elérca (PDEE), nese rabalho será ulzada a confguração prevsa pelo PDEE [28] para almenar a plaaforma de dados de enrada do

11 59 modelo NEWAVE 17 a fm de se omzar a operação do SIN nese período. É mporane ressalar que as análses do PDEE são orenadas pelas drerzes de longo prazo do seor elérco braslero, sendo as mesmas responsáves por denfcar as prncpas lnhas de desenvolvmeno dos ssemas elércos de geração e de ransmssão para o Brasl. Tas análses levam em cona os dferenes cenáros para o crescmeno da economa, para o consumo de energa, de dsponbldade das fones de geração, de polícas de aumeno da efcênca energéca, e de desenvolvmeno ndusral susenável. Além do seu caráer ofcal para o MME 18, a ulzação dos dados do PDEE nese rabalho ambém se fundamena no horzone de suas análses, o qual perme que o rsco écnco do proeo MDL sea avalado por um período de aé dez anos. Conforme será descro no Capíulo 4, a exensão e o número de subssemas que compõem o Ssema Inerlgado Naconal será de suma mporânca para a deermnação da lnha de base dos proeos MDL. Nese conexo, a confguração ofcal ulzada pelo PDEE para represenar o SIN será o obeo de dscussão da próxma seção. Nese rabalho, algumas adapações veram que ser realzadas no sendo de adequar a confguração ofcal à confguração aualmene adoada pelos proeos brasleros regsrados no Comê Execuvo do MDL. 3.3 Confguração do Ssema Inerlgado Naconal Devdo à dsrbução geográfca dos grandes cenros de carga e às resrções exsenes para a ransmssão de energa elérca, os esudos realzados pelo PDEE consderam o SIN dvddo em quaro subssemas elércos (Sudese/Cenro-Oese, Sul, Nordese e Nore), sendo prevsas as nerlgações de 17 Denre os prncpas dados de enrada do modelo NEWAVE desacam-se os dados de ofera e demanda de energa elérca, o cuso de défc do ssema, os cusos de operação das usnas ermelércas, os lmes de nercâmbo enre os subssemas, as caraceríscas écncooperavas das usnas hdráulcas, a axa de descono do capal, a suação aual dos reservaóros e a afluênca verfcada nos úlmos 6 meses. 18 A realzação anual do Plano Decenal de Expansão de Energa Elérca é, aualmene, uma arbução da Empresa de Pesqusa Energéca, que, por sua vez, esá vnculada ao Mnséro de Mnas e Energa do Brasl.

12 60 dos ouros subssemas solados. O prmero a ser nerlgado sera o subssema Acre-Rondôna (AR), o qual passara a fazer pare do subssema Sudese/Cenro- Oese a parr de Janero de O segundo sera o subssema Manaus-Macapá (MM), o qual se negrara ao subssema Nore a parr de Janero de Uma represenação esquemáca da confguração prevsa para o SIN ao fnal de 2015 é apresenada na Fgura 3.4, sendo esa confguração a consderada nas smulações energécas realzadas no PDEE. Nore / MM Imperarz Nordese Belo Mone Colnas Madera SE/CO/ AR Iapu Ivaporã Sul Fgura 3.4 Confguração Prevsa para o SIN ao fnal de 2015 Segundo os Esudos do PDEE Na Fgura 3.4, os raços ponlhados represenam as nerlgações e subssemas prevsos para se ncorporarem ao SIN durane o período analsado ( ). Nese período, prevê-se a enrada em operação comercal das usnas hdrelércas de Belo Mone e do Complexo Ro Madera. Tano esas usnas quano a usna hdrelérca de Iapu foram consderadas subssemas elércos separados para fns de smulação energéca. Segundo Bos [29], para grandes países com dferenes caraceríscas regonas e com dferenes ssemas elércos localzados nesas regões, a lnha de base de um proeo MDL deve ser desagregada de modo a represenar correamene o que ocorrera caso o proeo não fosse mplanado. Aé o

13 61 momeno, pode-se afrmar que odos os proeos brasleros regsrados pelo Comê Execuvo consderam o Ssema Inerlgado Naconal dvddo em dos grandes subssemas elércos: o subssema S/SE/CO e o subssema N/NE. Uma vez que os resulados do modelo NEWAVE são fornecdos por subssema elérco, nese rabalho fo necessáro adapar a confguração consderada no PDEE , orgnalmene com see subssemas elércos, para uma confguração com apenas dos subssemas. A Fgura 3.5 lusra a confguração do SIN ncalmene ulzada nese rabalho. N/NE/MM S/SE/CO/AR Fgura 3.5 Alernava 1 para a Confguração do SIN ao fnal de 2015 Os subssemas elércos mosrados na Fgura 3.5 são consuídos da segune forma: Subssema S/SE/CO/AR abrange os subssemas Sul, Sudese/Cenro- Oese, Acre-Rondôna, a usna hdrelérca de Iapu e as usnas hdrelércas do Complexo Madera; Subssema N/NE/MM abrange os subssemas Nore, Nordese, Manaus- Macapá e a usna hdrelérca de Belo Mone; Cabe ressalar que um dos prncpas créros para se defnr os lmes de um subssema elérco é a exsênca de resrções de ransmssão que lmam a mporação e exporação de energa elérca. Uma vez que as análses realzadas no PDEE consderam o SIN dvddo em 4 grandes subssemas elércos, consderando que exsem resrções de ransmssão sgnfcavas enre

14 62 eles, uma segunda alernava de confguração fo consderada nas análses dese rabalho. A Fgura 3.6 lusra esa alernava. Nore / MM Imperarz Nordese SE/CO/ AR Sul Fgura 3.6 Alernava 2 para a Confguração do SIN ao fnal de 2015 Os subssemas elércos mosrados na Fgura 3.6 são consuídos da segune forma: Subssema SE/CO/AR abrange os subssemas Sudese/Cenro-Oese, Acre- Rondôna, a usna hdrelérca de Iapu e as usnas hdrelércas do Complexo Madera; Subssema Sul abrange apenas o própro subssema Sul; Subssema Nordese abrange apenas o própro subssema Nordese; Subssema Nore/MM abrange os subssemas Nore, Manaus-Macapá e a usna hdrelérca de Belo Mone; Fnalmene, cabe ressalar que os empreendmenos consderados nese rabalho serão avalados consderando a hpóese de que o seu desenvolvmeno possa ocorrer em qualquer subssema elérco da confguração ulzada. Desa forma espera-se que o mpaco das caraceríscas ndvduas de cada regão seam evdencadas com maor propredade no que ange à deermnação da lnha de base dos proeos MDL.