Usinas Hidroelétricas Reversíveis - Solução Possível para o Brasil?

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1 Usinas Hidroelétricas Reversíveis - Solução Possível para o Brasil? Nas décadas de 60 e 70, o Brasil passou por um período de grande expansão do seu parque gerador, caracterizada pela construção de grandes usinas e reservatórios com boa capacidade de regularização (reservatórios plurianuais). Nesse período, as Usinas Reversíveis foram preteridas favorecendo-se então as grandes usinas hidroelétricas. Devido a questões ambientais, o modelo de grandes usinas com reservatório vem sendo substituído desde 2006 por usinas a fio d água, sem qualquer reservação, crescentemente complementado pela geração termoelétrica. Na matriz atual as térmicas já atingem 28,4% do total de 137 GW.

2 A situação energética brasileira ficou seriamente agravada pelas alterações climáticas ocorridas no mundo e no país, nos últimos 10 anos, perdendo-se gradativamente a capacidade de regularização das grandes usinas hidroelétricas e colocando em risco a geração da Garantia Física ou Energia Assegurada do sistema. Energia Assegurada pode ser definida como a energia máxima que uma usina pode fornecer durante seu pior ciclo hidrológico com uma dada demanda máxima. De acordo com a Aneel, a Energia Assegurada do sistema elétrico brasileiro é a máxima produção de energia que pode ser mantida (quase) continuamente pelas usinas hidroelétricas ao longo dos anos, simulando a ocorrência de cada uma das milhares possibilidades de sequências de vazões criadas estatisticamente, admitindo um certo risco de não atendimento à carga, ou seja, em determinado percentual dos anos simulados, permite-se que haja racionamento, dentro de um limite considerado aceitável para o sistema. Na regulamentação atual, este risco é de 5% A energia assegurada ou Garantia Física de parte considerável das hidroelétricas em operação no Brasil vem diminuindo a cada ano, tornando cada vez mais difícil o suprimento confiável de energia elétrica pelo sistema interligado, principalmente nos períodos de ponta. Os grandes apagões ocorridos no Brasil de 04/02/2014 e 19/01/2015 ratificam esta afirmativa. As Usinas Hidroelétricas Reversíveis deveriam ser reavaliadas na atual conjuntura adversa do sistema interligado brasileiro, porque poderiam assegurar confiabilidade através de:

3 (I) estabilidade às fontes intermitentes e variáveis das energias renováveis (que tenderão a crescer); (II) eliminando contingências do sistema interligado devido à dificuldade de regulação; (III) auxiliando os serviços ancilares; (IV) como suprimento auxiliar de carga nos momentos de pico; Serviços Ancilares são os Recursos e Ações que garantem a continuidade do fornecimento, segurança do sistema e manutenção dos valores de frequência e tensão, abrangendo essencialmente: controle de frequência, necessário para controlar as variações de frequência durante a operação do sistema; reserva de potência, necessária para restabelecer o equilíbrio entre carga e geração durante a ocorrência de contingências no sistema; suporte de potência reativa, necessário para manter o perfil de tensão nas barras do sistema; partida autônoma ( black-start ), necessária para reiniciar o sistema após uma situação de colapso ( blackout ). Existiam até recentemente no mundo cerca de 270 usinas reversíveis, já operando ou em construção, representando uma capacidade instalada total da ordem de MW, praticamente igual a potencia instalada no Brasil.

4 Historicamente, as usinas reversíveis têm sido utilizadas nos Estados Unidos desde 1920, e também em vários outros países do primeiro mundo como Japão, França, China, Alemanha, Austria e outros. No Brasil existem 4 antigas usinas reversíveis, construídas há mais de cinco décadas, a saber: UHE Pedreira - 78,5 MW - ano inauguração SP UHE Traição - 7,3 MW - ano inauguração SP UHE Vigário - 90,8 MW - ano inauguração RJ UHE Edgar de Souza - 14,8 MW - ano inauguração SP As cinco maiores usinas reversíveis existentes no mundo, são: Usina País Pot. Inst.-MW Bath Country... EE.UU Guangdong... China Huizhou... China

5 Okutataragi... Japão Ludington... EE.UU Este tipo de usina gera energia elétrica turbinando a água de um reservatório superior para outro inferior nos períodos de maior demanda e é capaz de retornar a água que já foi turbinada através do bombeamento inverso do reservatório inferior para o superior, sempre que houver disponibilidade de energia no sistema, por exemplo, durante a madrugada, estocando-a para ser novamente turbinada quando necessário. Estas usinas reversíveis seriam importantes para a operação confiável do Sistema Interligado Nacional- SIN, principalmente quando ocorrerem variações de carga provenientes das fontes renováveis (eólicas e fotovoltaicas) e das hidrelétricas a fio d água, servindo para estocar energia para os períodos mais críticos, podendo também substituir parte da geração termelétrica nos períodos de pico. Com a implantação das usinas a fio d água e o crescimento das eólicas e futuramente das fotovoltaicas, o Sistema Interligado Nacional poderá

6 ficar cada vez mais submetido a variações naturais de carga, causando a instabilidade do sistema e colocando-o sob constante risco. Ocorrendo estas variações, as usinas reversíveis poderiam absorver rapidamente o excedente, operando previamente no módulo bomba, mantendo a estabilidade do sistema e armazenando essa energia no reservatório superior para ser posteriormente disponibilizada na ponta, ou seja, quando a demanda pela energia elétrica for muito elevada. As Usinas Reversíveis constituem, juntamente com as hidroelétricas providas com reservatórios de acumulação, as soluções mais adequadas para o armazenamento de energia elétrica em grande escala. Embora as reversíveis sejam também instalações consumidoras de energia, a diferença de preços resultantes entre as operações de bombeamento e posterior turbinagem pode ser comercialmente compensadora caso possam vir a ser criadas tarifas adequadas para todos os serviços prestados por este tipo de usina (absorção de carga excedente, geração nos momentos de pico, fornecimento de serviços ancilares: controle de frequência, controle de tensão e rápido reinicio do sistema pós-blackouts (Black start). Podem ser classificadas nos seguintes tipos: Circuito Fechado - Utiliza 2 reservatórios sendo que nenhum destes está conectado a um rio, podendo ser artificiais ou lagos existentes e adaptados.

7 Usina de Turlough Hill Irlanda 292 MW- Circuito Fechado Circuito Semiaberto-Utiliza 2 reservatórios sendo um deles artificial e o outro constituído a partir de afluências naturais de água ou mesmo de um rio.

8 Usina Goldisthal 1060 MW- Alemanha Circuito Semiaberto Circuito Aberto- Utiliza 2 reservatórios constituídos somente a partir de afluências naturais de água. O tipo mais comum é a combinação de

9 bombeamento para armazenamento de água com uma hidroelétrica convencional. Usina Thissavros MW Grécia Circuito Aberto

10 Circuito Marinho Trata-se de um caso especial de Circuito Semiaberto, usando a superfície do mar como reservatório inferior, permitindo maior economia, sem utilizar água doce, mas tendo, entretanto de resolver o problema de maior corrosão e aderência de materiais marinhos. Exemplo Típico: Usina de Okinawa Yanbaru - 31,4 MW, Japão.

11 O armazenamento de energia é sempre econômico porque atenua as variações de carga do sistema, permitindo que as usinas hidroelétricas e as térmicas sejam utilizadas na base da geração, reduzindo a intensidade da demanda de ponta. Mesmo considerando as perdas por evaporação dos reservatórios inclusive as perdas inerentes ao processo de geração hidroelétrica, inclusive do bombeamento, estima-se que a energia produzida por uma usina reversível tenha uma eficiência da ordem de 80%. Juntamente com o melhor controle/confiabilidade para o fornecimento de energia estas usinas poderiam auxiliar decisivamente o Sistema Interligado Nacional - SIN, pois atuariam em questão de segundos, caso necessário.

12 As usinas térmicas e as hidroelétricas a fio d água são menos aptas a responder rapidamente ao controle das alterações do sistema nas demandas de ponta, podendo assim causar instabilidade de frequência e de voltagem. Esta possibilidade é real e está agravada porque as hidroelétricas brasileiras encontram-se atualmente com sua operação extremamente limitada em virtude da adversidade climática e das gestões anteriores equivocadas. Uma das mais conceituadas empresas de engenharia do mundo, MWH Global, fusão de 3 gigantes da construção pesada mundial (Montgomery, Hawksley e Harza) entre 2006 e 2009, realizou estudos de usinas reversíveis para diversos clientes, em inúmeros locais, avaliando-os quanto à sua potencial viabilidade e custos preliminares para a implantação. A Figura seguinte apresenta os custos iniciais (nível de viabilidade) estimados neste trabalho, os quais dependem obviamente das condições particulares de cada local. O gráfico indica que uma usina reversível com 1000 MW teria uma estimativa de cerca US$2000,00/KW instalado e uma outra de 30 MW, cerca de US$ 4000,00/KW instalado, referenciados a 2009, abrangendo construção e equipamentos e excluindo custos indiretos com engenharia, custos legais, administração do proprietário, e gerenciamento, aquisição de terras, juros e taxas financeiras, etc.

13 Com sua topografia e costas marítimas em grande parte acidentadas, além de excelente hidrografia, o Brasil está perfeitamente apto à construção de usinas reversíveis que poderiam atuar no sistema de forma pontual e qualificada, conforme mostrado neste artigo, para a operação mais confiável do sistema elétrico nacional, especialmente caso se mantenha futuramente a politica oficial de se implantar grandes usinas à fio d água, termoelétricas e forte crescimento das fontes renováveis. Estimou-se, há alguns anos, que o Brasil pudesse ter entre 200 e 280 GW em sítios potencialmente aproveitáveis para este tipo de usina, de acordo com diagnósticos realizados em 1982 e 1979 pela CESP/IPT e ELETROBRÁS, respectivamente.

14 Mesmo com as naturais alterações físicas, socioeconômicas e inclusive de biodiversidade ocorridas no país nos últimos 30/40 anos, certamente valeria a pena a reavaliação deste diagnóstico para as usinas reversíveis, cuja tecnologia é mundialmente bem conhecida, encontrando-se disponível há muitas décadas, inclusive no Brasil. Caso fosse possível viabilizar apenas 10% da antiga avaliação, ainda assim poderíamos obter cerca de 20 a 28 GW em sítios propícios para construção de usinas hidroelétricas reversíveis, quase o dobro da potencia instalada da UHE Belo Monte, assegurando condições de maior estabilidade e confiabilidade para o nosso sistema interligado. Porque então não se tentar fazer uma revisão dos antigos diagnósticos? Jose Augusto Pimentel Pessôa - Eng. Consultor Ago./2015 Referências: Pumped Hydroelectric Storage- E.S.A Energy Storage Association 2015 EEG-Energy Economics Group Report Summarizing the Current Role and Costs of Energy Storage Technologies 2012 Cost and Performance Data for Power Facilities Technologies Black & Veatch / National Renewable Energy Laboratory

15 Usinas Hidroelétricas Reversíveis - Solução Possível para o Brasil?

16 Nas décadas de 60 e 70 o Brasil passou por um período de grande expansão do seu parque gerador caracterizada pela construção de grandes usinas e reservatórios com boa capacidade de regularização (reservatórios plurianuais). Nesse período as Usinas Reversíveis foram preteridas favorecendo-se então as grandes usinas hidroelétricas. Devido a questões ambientais o modelo de grandes usinas com reservatório vem sendo substituído desde 2006 por usinas a fio d água, sem qualquer reservação, crescentemente complementado pela geração termoelétrica. Na matriz atual as térmicas já atingem 28,4% do total de 137 GW. A situação energética brasileira ficou seriamente agravada pelas alterações climáticas ocorridas no mundo e no país, nos últimos 10 anos, perdendo-se gradativamente a capacidade de regularização das grandes usinas hidroelétricas e colocando em risco a geração da Garantia Física ou Energia Assegurada do sistema. Energia Assegurada pode ser definida como a energia máxima que uma usina pode fornecer durante seu pior ciclo hidrológico com uma dada demanda máxima. De acordo com a Aneel, a Energia Assegurada do sistema elétrico brasileiro é a máxima produção de energia que pode ser mantida (quase) continuamente pelas usinas hidroelétricas ao longo dos anos, simulando a ocorrência de cada uma das milhares possibilidades de sequências de vazões criadas estatisticamente, admitindo um certo risco de não atendimento à carga, ou seja, em determinado percentual dos anos simulados,

17 permite-se que haja racionamento, dentro de um limite considerado aceitável para o sistema. Na regulamentação atual, este risco é de 5% A energia assegurada ou Garantia Física de parte considerável das hidroelétricas em operação no Brasil vem diminuindo a cada ano, tornando cada vez mais difícil o suprimento confiável de energia elétrica pelo sistema interligado, principalmente nos períodos de ponta. Os grandes apagões ocorridos no Brasil de 04/02/2014 e 19/01/2015 ratificam esta afirmativa. As Usinas Hidroelétricas Reversíveis deveriam ser reavaliadas na atual conjuntura adversa do sistema interligado brasileiro, porque poderiam assegurar confiabilidade através de: (I) estabilidade às fontes intermitentes e variáveis das energias renováveis (que tenderão a crescer); (II) eliminando contingências do sistema interligado devido à dificuldade de regulação; (III) auxiliando os serviços ancilares; (IV) como suprimento auxiliar de carga nos momentos de pico; Serviços Ancilares são os Recursos e Ações que garantem a continuidade do fornecimento, segurança do sistema e manutenção dos valores de frequência e tensão, abrangendo essencialmente:

18 controle de frequência, necessário para controlar as variações de frequência durante a operação do sistema; reserva de potência, necessária para restabelecer o equilíbrio entre carga e geração durante a ocorrência de contingências no sistema; suporte de potência reativa, necessário para manter o perfil de tensão nas barras do sistema; partida autônoma ( black-start ), necessária para reiniciar o sistema após uma situação de colapso ( blackout ). Existiam até recentemente no mundo cerca de 270 usinas reversíveis, já operando ou em construção, representando uma capacidade instalada total da ordem de MW, praticamente igual a potencia instalada no Brasil. Historicamente as usinas reversíveis têm sido utilizadas nos Estados Unidos desde 1920, e também em vários outros países do primeiro mundo como Japão, França, China, Alemanha, Austria e outros. No Brasil existem 4 antigas usinas reversíveis, construídas há mais de cinco décadas, a saber: UHE Pedreira - 78,5 MW - ano inauguração SP UHE Traição - 7,3 MW - ano inauguração SP UHE Vigário - 90,8 MW - ano inauguração RJ UHE Edgar de Souza - 14,8 MW - ano inauguração SP

19 As cinco maiores usinas reversíveis existentes no mundo, são: Usina País Pot. Inst.-MW Bath Country... EE.UU Guangdong... China Huizhou... China Okutataragi... Japão Ludington... EE.UU Este tipo de usina gera energia elétrica turbinando a água de um reservatório superior para outro inferior nos períodos de maior demanda e são capazes de retornar a água que já foi turbinada através do bombeamento inverso do reservatório inferior para o superior, sempre que houver disponibilidade de energia no sistema, por exemplo, durante a madrugada, estocando-a para ser novamente turbinada quando necessário.

20 Estas usinas reversíveis seriam importantes para a operação confiável do Sistema Interligado Nacional- SIN, principalmente quando ocorrerem variações de carga provenientes das fontes renováveis (eólicas e fotovoltaicas) e das hidrelétricas a fio d água, servindo para estocar energia para os períodos mais críticos, podendo também substituir parte da geração termelétrica nos períodos de pico. Com a implantação das usinas a fio d água e o crescimento das eólicas e futuramente das fotovoltaicas, o Sistema Interligado Nacional poderá ficar cada vez mais submetido a variações naturais de carga, causando a instabilidade do sistema e colocando-o sob constante risco. Ocorrendo estas variações, as usinas reversíveis poderiam absorver rapidamente o excedente, operando previamente no módulo bomba, mantendo a estabilidade do sistema e armazenando essa energia no reservatório superior para ser posteriormente disponibilizada na ponta, ou seja, quando a demanda pela energia elétrica for muito elevada. As Usinas Reversíveis constituem juntamente com as hidroelétricas providas com reservatórios de acumulação as soluções mais adequadas para o armazenamento de energia elétrica em grande escala.

21 Embora as reversíveis sejam também instalações consumidoras de energia, a diferença de preços resultantes entre as operações de bombeamento e posterior turbinagem pode ser comercialmente compensadora caso possam vir a serem criadas tarifas adequadas para todos os serviços prestados por este tipo de usina (absorção de carga excedente, geração nos momentos de pico, fornecimento de serviços ancilares: controle de frequência, controle de tensão e rápido reinicio do sistema pós-blackouts (Black start). Podem ser classificadas nos seguintes tipos: Circuito Fechado - Utiliza 2 reservatórios sendo que nenhum destes está conectado a um rio, podendo ser artificiais ou lagos existentes e adaptados. Usina de Turlough Hill Irlanda 292 MW- Circuito Fechado

22 Circuito Semiaberto-Utiliza 2 reservatórios sendo um deles artificial e o outro constituído a partir de afluências naturais de agua ou mesmo de um rio. Usina Goldisthal 1060 MW- Alemanha Circuito Semiaberto

23 Circuito Aberto- Utiliza 2 reservatórios constituídos somente a partir de afluências naturais de água. O tipo mais comum é a combinação de bombeamento para armazenamento de água com uma hidroelétrica convencional.

24 Usina Thissavros MW Grécia Circuito Aberto

25 Circuito Marinho Trata-se de um caso especial de Circuito Semiaberto, usando a superfície do mar como reservatório inferior, permitindo maior economia, sem utilizar água doce, mas tendo, entretanto de resolver o problema de maior corrosão e aderência de materiais marinhos. Exemplo Típico: Usina de Okinawa Yanbaru - 31,4 MW, Japão. O armazenamento de energia é sempre econômico porque atenua as variações de carga do sistema, permitindo que as usinas hidroelétricas e as térmicas sejam utilizadas na base da geração, reduzindo a intensidade da demanda de ponta. Mesmo considerando as perdas por evaporação dos reservatórios inclusive as perdas inerentes ao processo de geração hidroelétrica,

26 inclusive do bombeamento, estima-se que a energia produzida por uma usina reversível tenha uma eficiência da ordem de 80%. Juntamente com o melhor controle/confiabilidade para o fornecimento de energia estas usinas poderiam auxiliar decisivamente o Sistema Interligado Nacional - SIN, pois atuariam em questão de segundos, caso necessário. As usinas térmicas e as hidroelétricas a fio d água são menos aptas a responder rapidamente ao controle das alterações do sistema nas demandas de ponta, podendo assim causar instabilidade de frequência e de voltagem. Esta possibilidade é real e está agravada porque as hidroelétricas brasileiras encontram-se atualmente com sua operação extremamente limitada em virtude da adversidade climática e das gestões anteriores equivocadas. Uma das mais conceituadas empresas de engenharia do mundo, MWH Global, fusão de 3 gigantes da construção pesada mundial (Montgomery, Hawksley e Harza) entre 2006 e 2009, realizou estudos de usinas reversíveis para diversos clientes, em inúmeros locais, avaliando-os quanto à sua potencial viabilidade e custos preliminares para a implantação. A Figura seguinte apresenta os custos iniciais ( nivel de viabilidade) estimados neste trabalho os quais dependem obviamente das condições particulares de cada local. O gráfico indica que uma usina reversível com 1000 MW teria uma estimativa de cerca US$2000,00 / KW instalado e uma outra de 30 MW, cerca de US$ 4000,00 / KW instalado, referenciados a 2009, abrangendo construção e

27 equipamentos e excluindo custos indiretos com engenharia, custos legais, administração do proprietário, e gerenciamento, aquisição de terras, juros e taxas financeiras, etc. Com sua topografia e costas marítimas em grande parte acidentadas além de excelente hidrografia, o Brasil está perfeitamente apto à construção de usinas reversíveis que poderiam atuar no sistema de forma pontual e qualificada, conforme mostrado neste artigo, para a operação mais confiável do sistema elétrico nacional, especialmente caso se mantenha futuramente a politica oficial de se implantar grandes usinas à fio d água, termoelétricas e forte crescimento das fontes renováveis. Estimou-se há alguns anos que o Brasil pudesse ter entre 200 e 280 GW em sítios potencialmente aproveitáveis para este tipo de usina, de

28 acordo com diagnósticos realizados em 1982 e 1979 pela CESP/IPT e ELETROBRÁS, respectivamente. Mesmo com as naturais alterações físicas, socioeconômicas e inclusive de biodiversidade ocorridas no país nos últimos 30/40 anos, certamente valeria a pena a reavaliação deste diagnóstico para as usinas reversíveis, cuja tecnologia é mundialmente bem conhecida, encontrando-se disponível há muitas décadas, inclusive no Brasil. Caso fosse possivel viabilizar apenas 10% da antiga avaliação, ainda assim poderiamos obter cerca de 20 a 28 GW em sítios propícios para construção de usinas hidroelétricas reversíveis, quase o dobro da potencia instalada da UHE Belo Monte, assegurando condições de maior estabilidade e confiabilidade para o nosso sistema interligado. Porque então não se tentar fazer uma revisão dos antigos diagnósticos? Jose Augusto Pimentel Pessôa - Eng. Consultor Ago./2015 Referências: Pumped Hydroelectric Storage- E.S.A Energy Storage Association 2015 EEG-Energy Economics Group Report Summarizing the Current Role and Costs of Energy Storage Technologies 2012 Cost and Performance Data for Power Facilities Technologies Black & Veatch / National Renewable Energy Laboratory