A Retomada do Conceito de Eficiência de Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro

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1 A Retomada do Conceito de Eficiência de Usinas Hidrelétricas Reversíveis no Setor Elétrico Brasileiro Brasília DF 11 de novembro de 2014 Sérgio Zuculin CESP Mírian Adelaide HEDAIDI Paulo Sérgio Franco Barbosa UNICAMP Geraldo Lúcio Tiago Filho - UNIFEI

2 O que são as UHR?

3 Relatório de Inventário de UHR no Estado de São Paulo Premissas à época: - Queda > 300 m - Potência Mín MW para horas Geração. 341 Alternativas = MW Pré-dimensionamento e custos: - Serra do Mar: 37 = MW - Mantiqueira: 19 = MW - Serra Geral: 12 = MW MW

4 Existe potencial para UHR no Brasil - Estudos de pré-inventário - Tecnologia de ponta / fornecedores - Oportunidades para investimentos O Brasil precisa de UHR?

5 Benefícios da UHR 1. Suporte à expansão de fontes renováveis intermitentes, como eólica e solar; 2. Suporte à expansão de usinas a fio d água e usinas idealmente motorizadas; 3. Confiabilidade e qualidade do suprimento de energia; 4. Controle de potência reativa, correção do fator de potência e controle de tensão; 5. Modicidade da expansão da geração - melhor utilização da capacidade instalada e redução do custo de aquisição de energia no horário da ponta; 6. Acompanhamento de variações da carga - modulação; 7. Reserva girante convencional; 8. Adiamento da expansão da transmissão; 9. Suporte à expansão da geração distribuída na rede; 10.Estabilidade do sistema e controle das oscilações de tensão e frequência; 11.Apoio ao CAG; Restabelecimento black-start; 12.Redução do despacho termelétrico por razões elétricas; 13.Diminuição de impactos ambientais.

6 DESAFIOS DA UHR NO BRASIL - Viabilidade econômica! - Modelo de garantia física / leilão - Pequena diferença de preços por patamar - Falta de mercado de potência e serv.ancilares UHR: Um estudo de caso no Brasil

7 UHR Grand Maison

8 666 m SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS Cota Máx: 714 m Cota Mín: 706 m Vol. Útil: 8,1 hm 3 Chaminé de Equilíbrio UHR Estudo de Caso Reservatório Superior Túnel Q 51,2 m 3 /s Ø 2,00 m Casa de Força PELTON (2 x 131 MW) Cota: 75 m UHR Q ger 157,4 m 3 /s Q bom 78,4 m 3 /s P ger P bom 786 MW 504 MW Por Túnel Q ger 53,1 m 3 /s Q bom 39,2 m 3 /s Ø 3,10 m Casa de Força Subterrânea FRANCIS (4 x 131 MW) Cota: 0 m Cota Máx: 70 m Cota Mín: 48 m Vol. Útil: 7,5 hm 3 Reservatório Inferior 0,5 m 3 /s (abastecimento)

9 Esquema da Casa de Força Turbo-Bomba (Subterrânea)

10 Esquema da Casa de Força Pelton

11 Casa de Força Pelton Subestação 138 kv Configuração Elétrica da UHR Subestação 345 kv Casa de Força Subterrânea

12 SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS 200 Variação semanal da Vazão [m 3 /s] Bombeamento 4 Turbo-Bomba Geração 4 Turbo-Bomba + 2 Pelton SEG TER QUA QUI SEX SAB DOM

13 SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS Variação semanal da Potência [MW] Bombeamento 4 Turbo-Bomba Geração 4 Turbo-Bomba + 2 Pelton SEG TER QUA QUI SEX SAB DOM

14 Volume (hm3) SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS Variação semanal do volume do reservatório superior Seg Ter Qua Qui Sex Sab Dom 8,1 hm 3 Volume Res. Superior 7 Volume máximo Horas da semana (h)

15 Volume (hm 3 ) SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS 9 8 Variação semanal do volume do reservatório inferior Seg Ter Qua Qui Sex Sab Dom 7,5 hm Volume Res. Inferior 1 Volume máximo Horas da semana (h)

16 Energia (GWh) SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS Energia acumulada na geração, consumida no bombeamento e o saldo de energia Seg Ter Qua Qui Sex Sab Dom positivo -Geração Saldo de Energia Energia Gerada Acumulada Energia Consumida Acumulada Déficit negativo-bombeamento Horas da semana (h)

17 Equipamentos Eletromecânicos R$ 738 / kw instalado Obs.: sem considerar impostos e custos de instalação Custo estimado para esta UHR R$ / kw instalado

18 A RETOMADA DO CONCEITO DE EFICIÊNCIA DE USINAS REVERSÍVEIS Aspectos Regulatórios e Comerciais Prof. Paulo Barbosa - Unicamp

19 I. O Valor Econômico de uma UHR A despeito das reconhecidas vantagens, não é claro como fazer a valoração econômica dos benefícios das UHR, dificultando estabelecer uma normatização ou embasamento regulatório. O Valor de uma UHR não é como uma usina geradora -- não é um ativo de geração puro é uma outra classe de ativos; porém a Regulação tradicional considera as UHR como mais uma fonte geradora. Na verdade, na essência, a UHR presta um Serviço de Armazenamento de Energia, com todos os benefícios a ele associados (estabilidade da rede; reserva girante, etc.) Quando há maior diferenciação entre preço na ponta e preço fora da ponta, então fica mais fácil estimar o valor econômico de uma UHR no sistema onde a injeção de potência está sendo feita.

20 Análise Técnica-Econômica e Estágio Atual das URHs no Cenário Global Principais Regiões com UHRs: União Europeia (36 GW), os Estados Unidos (21,8 GW) e o Japão (24,5 GW). Estudo da EPRI: 14 UHR construídas nos EUA (até 1975) Custos: entre $ 300 a $ 600/KW 20

21 Novos Projetos: Europa e EUA SEMINÁRIO TÉCNICO SOBRE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS Custos: 470/kW e 2170/kW 21

22 Estudos sobre a Atratividade Econômica das Usinas Reversíveis Ano Fontes de Remuneração das Usinas Reversíveis (UHR) Mercado/ País Horizonte Tecnologia Diferença Preço Ponta e Fora Ponta Venda de Geração de Reserva na Ponta Mercado de capacidade Autor e Ano Bélgica 2007 UHR X X He et al.2011 Dinamarca UHR X Steffen 2012 Dinamarca e França UHR+EOL X X Loisel et al Espanha e Itália UHR X Rangoni 2012 PensilvâniaNJerseyMaryland UHR X X Sioshansi etal 2011 California / North West PP 2020 UHR X PNNL 2012 Australia 2007 UHR+EOL X Hessami et al

23 Estudos sobre a Atratividade Econômica das Usinas Reversíveis 23

24 Desempenho Financeiro do Estudo de Caso, com Comercialização da Geração e Compra às Tarifas Reguladas Os valores das tarifas são da empresa Eletropaulo (tarifa Azul A2). (geração de 792 MW) e bombas (643 MW), e do ciclo operativo (43,43 horas de geração, dos quais 15 h na ponta) e bombeamento (73,5 h semanais) Tarifa A2 Eletropaulo Azul (R$/MWh) No. Horas no mês MW de Geração Geração Mensal (MWh) Receita Bruta Mensal (R$) Horas Geração Semanais Ponta ,70 65, ,62 Fora da Ponta 28,43 140,12 123, ,58 SOMA 43,43 188, , ,20 Tarifa A2 No. Horas MW MWh Despesa Bruta Bombeamento Horas Sem. R$/MWh Mensais Bombeam. Mensais Mensal (R$) Fora Ponta 73,5 140,12 319, , ,02 Lucro Mensal (R$): ,82 Para alcançar valor minimamente positivo, seria necessário comercializar a R$ 192,53/MWh 24

25 II. Premissas para uma Proposição de Normatização- Brasil Há que se reconhecer pelo menos três dificuldades para uma proposição regulatória no modelo brasileiro: A falta de um mercado de potência, ou de serviços ancilares no Brasil, que poderia ser uma referência para viabilizar os projetos de UHRs; A pequena diferenciação, quando existente, dos preços de curto prazo (PLD) entre as cargas pesadas, média ou leve; o que inviabiliza a remuneração econômica das UHRs; A inexistência no Brasil, de empresas verticalizadas, onde haveria compensação financeira para investimentos em UHRs, diante dos seus benefícios não apenas no componente Geração, mas nos demais segmentos (T e D). Nas empresas verticalizadas há potencial de captura desses benefícios, como ocorreu com grande parte dos projetos de UHRs nos EUA, em período prévio ao mercado competitivo ou em empresas federais ainda verticalizadas.

26 II. Premissas para uma Proposição de Normatização- Brasil Premissa P1: As UHRs devem ter despacho centralizado pelo ONS; Premissa P2: A relevância e a oportunidade de uma UHR devem ser avaliadas do ponto de vista sistêmico, considerando os benefícios regionais para atendimento de ponta, confiabilidade para o grid, redução das necessidades de transmissão e outros. A avaliação deve ser feita pela EPE/ONS, comparando-se com alternativas; Premissa P3: A adequação deve aproveitar ao máximo o arcabouço regulatório e institucional vigente. Ou seja, optou-se por evitar a sugestão de grandes mudanças regulatórias que representassem barreiras para implementação.

27 II. Premissas para uma Proposição de Normatização- Brasil Premissa P4: O modelo regulatório tem que garantir a viabilidade econômica das UHRs, valorizando devidamente os pontos fortes e singularidades das UHRs, tais como: Rápida despachabilidade ou ajustes às variações da carga Contribuição para correção de freqüência / voltagem Disponibilidade na ponta, mesmo em situações de escassez hidrológica, pois o circuito de fluxo da água pode ser do tipo fechado (closed loop), sem interferência com o curso dágua Premissa P5: O modelo regulatório deve considerar diversos arranjos para proposição de projetos de UHRs, tais como: UHR isolada UHR associada à parque eólico ou plantas solares fotovoltaicas UHR associada à térmica (na base, com geração constante e máxima eficiência) UHR associada a combinações parciais dentre as alternativas prévias

28 II. Premissas para uma Proposição de Normatização- Brasil Premissa P6: Sendo uma opção relevante e oportuna em determinado local, com reconhecimento do valor de seus serviços e não havendo mecanismo de mercado (ex1. diferencial suficiente entre preço na ponta e fora da ponta; ex.2 leilões para formação de preço spot) para torná-la atrativa para investidores, a seleção do proponente mais interessante por meio de Leilões, com contratos de venda associados é uma forma regulatória legítima ao interesse público (Rangoni, 2012). Premissa P7: Sendo uma forma de geração hidroelétrica na carga pesada, a UHR poderá participar do MRE, como forma de mitigar custos associados à aquisição (a preço regulado) de energia para bombeamento.

29 III. Propostas de Dois Modelos Regulatórios-Brasil M1: Modelo com Aquisição de Energia para Bombeamento via Tarifa Especial Neste modelo assume-se que a viabilização econômica da UHR se dá por meio das vendas da produção nos horários do patamar pesado e médio (usina funcionando como unidade geradora), asseguradas nos contratos do ambiente CCEAR, e que a compra de energia para bombeamento se dá por meio de tarifas de suprimento especiais. As tarifas especiais cumprem o papel da busca da economicidade, necessária para viabilização do empreendimento, já que no contexto brasileiro não há diferenciação minimamente expressiva entre carga pesada e carga média/leve (no caso do mercado dos EUA, esta diferenciação é algo em torno de 30% a 40%).

30 M1: Modelo com Aquisição de Energia para Bombeamento via Tarifa Especial O Edital do Leilão definirá para cada usina UHR: Preço teto (Pte) para a energia produzida na carga pesada, com quantidade limitada à GFp (Garantia Física na Ponta e na Carga Média) Tarifa de Suprimento (Ts) de compra de energia para Bombeamento (Fora da ponta; das 0 h às 7 h) Limites operativos e condições de despachabilidade. São exemplos: min. de dias disponíveis no ano; em especial no verão; horário da ponta regional (ex. 21h às 24 h); planejamento de ciclo operativo diário e semanal. Ex. 3 h de ponta/dia nos dias úteis e sábado; min. de 100 h de operação por mês Ordem de mérito para seleção do vencedor do leilão: Menor Preço de Venda (R$/MWh) de Energia na Ponta e Carga Média: Min (PVp)

31 M1: Modelo com Aquisição de Energia para Bombeamento via Tarifa Especial No caso do modelo M1, o produto do Leilão é a energia (MWh), assim caracterizando uma modalidade de Leilão por Quantidade. No entanto, comparado ao Leilão por quantidade de uma usina hidroelétrica tradicional, há menor risco para o gerador da UHR, pois, o produto (energia na carga pesada e média) tem muito maior regularidade de produção (ciclo diário de produção), não sofrendo efeito de variação de queda, elevação do canal de fuga, e nem a variabilidade sazonal das afluências.

32 Comparação de Leilões Leilão de UHE convencional Leilão Proposto para UHR Modelo M1 Produto: Energia (MWh) Energia nas Cargas Pesada e Média (MWh) Critério de Seleção do Vencedor: Parâmetros do Leilão (fixados pela EPE/MME) Menor Preço de Venda (R$/MWh) Parâmetros técnicos Locais (Localização; queda;etc) Preço Teto Garantia Física Prazo do Contrato CCEAR Menor Preço de Venda da Energia nas Cargas Pesada e Média (R$/MWh) Parâmetros técnicos Locais (Localização; queda;etc) Preço Teto Garantia Física nas Cargas Pesada e Média Prazo do Contrato CCEAR Tarifa Especial de Suprimento para Compra de Energia de Bombeamento

33 Comparação de Leilões Leilão de UHE convencional Leilão Proposto para UHR Modelo M1 Quem assume os riscos da Produção O empreendedor da UHE assume riscos associados à sazonalidade e aleatoriedade das afluências; variações da queda e necessidades de manutenções O empreendedor assume, porém não incorre em riscos associados à variação de queda e aleatoriedade das afluências Formação dos Custos associados a Riscos O custo associado aos fatores de risco não é explícito e nem previsível; mas é precificado e embutido em Pv (preço de venda), e posteriormente, transferido ao consumidor final via tarifas das distribuidoras Os fatores de riscos da produção são muito menores; porém há um custo direto e explícito associado à compra de energia para bombeamento à tarifa especial de suprimento; o qual será transferido ao consumidor final via tarifas das distribuidoras

34 M2: Modelo com Participação da UHR no MRE Neste modelo a UHR participa efetivamente do MRE-Mecanismo de Realocação de Energia; pois nos períodos de carga pesada e carga média, há geração efetiva injetada no sistema. No entanto, o balanço de energia da UHR é necessariamente negativo. Assim, a idéia subjacente no modelo M2 é permitir que o benefício da geração mais nobre (carga pesada e média) seja compensado com um recurso de geração de custo módico ( TEO, que é a tarifa energética de otimização, do MRE). Como o MRE é contabilizado por patamar, há maiores chances de ter o crédito do MRE disponível nos patamares de carga leve; que é exatamente o período de necessidade de energia para bombeamento.

35 M2: Modelo com Participação da UHR no MRE Neste caso, a garantia física da UHR poderá ser fixada de maneira mais conservadora (ex. 50% da capacidade instalada); de tal forma que com maior regularidade que as UHE convencionais, a UHR possa gerar acima da Garantia Física (GF e não GFponta) e liquidar os excedentes ao PLD. Ou seja, a usina UHR no Modelo M2 fica com situação muito semelhante no Leilão de uma UHE. No caso do modelo M2, poderia ser dada liberdade ao empreendedor para fixar a Garantia Física da UHR, a ser otimizada em seu modelo de negócio. Um valor mais conservador de GF determinaria mais regularidade de vendas de excedentes ao preço PLD (fluxo incerto). Porém, determinaria uma menor quantidade de energia vinculada ao contrato CCEAR (fluxo certo, indexado ao IGPM).

36 Comparação de leilões Leilão de UHE convencional Leilão Proposto para UHR Modelo M2 Produto Energia (MWh) Energia (MWh), sendo a da carga pesada e média provenientes da UHR e a da carga leve proveniente do MRE Critério de Seleção do Vencedor Parâmetros do Leilão (fixados pela EPE/MME) Menor Preço de Venda (R$/MWh) Parâmetros técnicos Locais (Localização; queda;etc) Preço Teto Garantia Física Prazo do Contrato CCEAR Menor Preço de Venda (R$/MWh) Parâmetros técnicos Locais (Localização; queda;etc) Preço Teto Garantia Física da UHR, contando com MRE Prazo do Contrato CCEAR Obs. Não há Tarifa Especial para Compra no Bombeamento

37 Comparação de leilões Leilão de UHE convencional Leilão Proposto para UHR Modelo M2 Quem assume os riscos da Produção Formação dos Custos associados a Riscos O empreendedor da UHE assume riscos associados à sazonalidade e aleatoriedade das afluências; variações da queda e necessidades de manutenções O custo associado aos fatores de risco não é explícito e nem previsível; mas é precificado e embutido em Pv (preço de venda), e posteriormente, transferido ao consumidor final via tarifas das distribuidoras O empreendedor assume, porém não incorre em riscos associados à variação de queda e aleatoriedade das afluências. Há risco de não obter energia do MRE na carga leve Os fatores de riscos da produção são muito menores; porém há um custo de difícil previsibilidade associado à exposição ao PLD na carga leve; o qual será transferido ao consumidor final via tarifas das distribuidoras. Há potencial de maior regularidade de vendas ao PLD (excedentes ao contrato)

38 Obrigado! Sérgio Zuculin CESP Mírian Adelaide HEDAIDI Geraldo Lúcio Tiago Filho A&T Paulo Sérgio Franco Barbosa GPTECH