A RETOMADA DO CONCEITO DE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS NO SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO

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1 A RETOMADA DO CONCEITO DE USINAS HIDRELÉTRICAS REVERSÍVEIS NO SETOR ELÉTRICO BRASILEIRO Sérgio Zuculin 1, Mirian Adelaide R. R. C. Pinto 2, Paulo S. F. Barbosa 3 1 CESP Companhia Energética de São Paulo 2 Hedaidi Engenharia 3 UNICAMP Universidade Estadual de Campinas Resumo. O conceito de Usina Hidrelétrica Reversível (UHR) pode não parecer razoável num primeiro instante, por se tratar de uma instalação que tanto gera quanto consome energia, conforme estiver turbinando ou bombeando água. É possível admitir que esse tipo de usina tenha um caráter neutro ou até mesmo negativo na produção de energia. Por que gastar energia para bombear água até um reservatório superior se posteriormente essa água será turbinada de volta, gerando menos energia que aquela gasta no bombeamento?. Ocorre, porém, que a relevância e a oportunidade de usinas hidrelétricas reversíveis devem ser avaliadas sob o ponto de vista das necessidades sistêmicas, mais afetas às dificuldades operacionais que se avolumam conforme as tendências da expansão da oferta e da demanda, como da configuração do sistema interligado, considerando também os benefícios regionais para atendimento de ponta, confiabilidade, controle, modulação das disponibilidades, dentre outros. Palavras-chave: usina hidrelétrica reversível, geração de energia elétrica, sistema elétrico, inventário. 1. Introdução A expansão da geração no Brasil, por qualquer fonte, ocorre sempre considerando sua garantia física, ou, pela energia que as novas plantas podem oferecer ao sistema. Como usinas hidrelétricas reversíveis são instalações que operam gerando ou consumindo energia, turbinando ou bombeando água, respectivamente, e que o balanço é sempre negativo, isto é, que esse tipo de usina de forma geral, tem um consumo maior que a geração, fica a questão: O setor elétrico brasileiro precisa de usinas hidrelétricas reversíveis?, e se a resposta é positiva Como viabilizar uma fonte de geração com características de carga?.

2 Acontece que um sistema elétrico precisa mais do que apenas energia. Precisa de recursos elétricos para que essa energia seja disponibilizada com qualidade e confiabilidade. Precisa de diversidade de fontes, para sustentabilidade. É justamente para oferecer esse equilíbrio ao sistema, que a usina hidrelétrica reversível (UHR) surge como alternativa. A maior vantagem da UHR é armazenar energia em horários de menor demanda e gerar energia nos horários de maior demanda. E por esse princípio, decorrem todos os outros benefícios que essa fonte de geração oferece. Figura 1 Turbina-bomba Francis típica 2. O conceito de usina hidrelétrica reversível (UHR) As UHR representam parte significativa do parque gerador em diversos países e vem tendo utilização crescente. A potência instalada atual no mundo é da ordem de MW. O armazenamento de energia por bombeamento depende de um reservatório de água superior e outro inferior. A água é bombeada do reservatório inferior para o reservatório superior durante períodos de baixa demanda de energia no sistema e preços baixos, geralmente à noite, e liberada para ser turbinada e gerar eletricidade quando a demanda por energia ou requisitos elétricos e os preços estão altos. Usinas Hidrelétricas Reversíveis são inerentes a sistemas elétricos que combinam fontes de energia renováveis como a eólica e a solar, pois podem compensar intermitências, nivelando as flutuações características dessas fontes. Em sistemas com grande capacidade instalada de eólicas, usinas hidrelétricas a fio d água e usinas

3 nucleares, a UHR pode funcionar como uma carga na forma de bateria, armazenando energia. Os benefícios sistêmicos da UHR Suporte à expansão de fontes renováveis intermitentes, como eólica e solar; Suporte à expansão de usinas a fio d água e usinas idealmente motorizadas pela garantia física; Confiabilidade e qualidade do suprimento de energia, uma vez que o estoque de energia disponível na UHR pode ser usado prontamente em ocasiões de contingências; Controle de potência reativa, correção do fator de potência e controle de tensão; Alavancagem da carga, melhoria do fator de carga; Modicidade da expansão da geração, por meio da melhor utilização da capacidade instalada e redução do custo de aquisição de energia no horário da ponta; Acompanhamento de variações da carga; Modulação da oferta de energia ao longo das horas do dia; Redução das necessidades de reserva girante convencional; Adiamento da expansão da transmissão; Suporte à expansão da geração distribuída na rede; Estabilidade do sistema de potência e controle das oscilações de tensão e frequência; Apoio ao controle automático da geração; Restabelecimento black-start; Redução do despacho termelétrico por razões elétricas; Diminuição de impactos ambientais; Os grandes desafios para inserção de UHR no Sistema Interligado Nacional (SIN) são: a viabilidade econômica e o estabelecimento de bases regulatórias. O Brasil passou por um período de forte expansão de oferta de energia hidrelétrica, durante o qual, certos requisitos elétricos seriam suportados por usinas supermotorizadas, ou usinas de ponta. Esta opção feita à época, quando o parque

4 brasileiro tinha uma capacidade instalada da ordem de 30 GW, eliminou a necessidade de UHR no SIN, naquele momento. Atualmente o SIN conta com 130 GW de capacidade instalada e franca expansão das fontes eólicas e solares, conjugada ao novo modelo do setor elétrico, no qual não se viabilizam usinas com motorização além do necessário às suas garantias físicas e com forte tendência para usinas a fio d água. Neste novo cenário de expansão e configuração do sistema, é razoável a retomada de alternativas que ofereçam outros recursos elétricos ao sistema, além da garantia física, como é o caso da UHR. 3. O potencial brasileiro Estudos de pré-inventários As usinas hidrelétricas reversíveis foram objetos de estudos no Brasil, no século passado. Registros de inventários desenvolvidos dão conta de um imenso potencial para esse tipo de fonte. Os levantamentos feitos à época consideraram algumas premissas que precisam ser revistas, à luz das características atuais e futuras do SIN, bem como, dos requisitos ambientais e de uso dos recursos hídricos, que evoluíram. Muitos locais inventariados estarão inviabilizados por ocupações urbanas e outras prioridades de usos. Em 1979 a Eletrobrás coordenou um estudo de pré-inventário de UHR. No Estado de São Paulo, a CESP inventariou a Serra do Mar, Serra da Mantiqueira e Serra Geral, numa área de km² com cartas do IBGE na escala 1: A partir de premissas básicas, como: queda mínima de 300 metros, relação entre a queda e a distância de interligação dos reservatórios menor que 1/10 e potencial mínimo de 1 GW para 14 horas de geração, foi feita uma redução da área para km² na qual estão cadastradas 341 alternativas, com um potencial de 735 GW. Estudos de prédimensionamento das alternativas possibilitaram utilizar estimativas de custos como mais um filtro, chegando às seguintes alternativas viáveis à época: Tabela 1 Pré-inventário UHR no Estado de São Paulo (1982) Local Alternativas Capacidade Instalada (MW) Serra do Mar Serra da Mantiqueira Serra Geral Total Fonte: Relatório IPT de 21 de dezembro de 1982, Arquivos CESP

5 Tabela 2 Pré-inventário UHR Eletrobrás (1979) Local Alternativas Capacidade Instalada (MW) Região Nordeste Minas Gerais Rio de Janeiro Total Fonte: Ciclo de Debates UHR no programa de expansão da Hydro Quebec, Eletrobrás, 1981 Sabe-se que existe um enorme potencial para UHR na região Sul. 4. Aspectos ambientais e de recursos hídricos Estudos ambientais específicos sobre UHR ainda não foram conduzidos sob a égide da legislação brasileira, mas é possível perceber que os impactos socioambientais de uma UHR, guardam alguma similaridade com os de uma UHE convencional ou mais propriamente com os de uma PCH, inovando em alguns aspectos, a depender da configuração de cada empreendimento e dimensionalmente menores em outros. Sempre haverá necessidade de dois reservatórios: o inferior e o superior, porém, consideravelmente pequenos em relação aos reservatórios tradicionais de hidrelétricas. Um estudo de caso de UHR foi feito, com cerca de 800 MW de potência instalada e geração de 8 horas diárias e seis dias por semana, precisaria de um reservatório de menos de 10 hm³. A UHE Três Irmãos, em São Paulo, tem 808 MW instalados e um reservatório de cerca de hm³ (3.500 hm³ de volume útil). Essa é uma diferença radical na análise de impactos socioambientais, pois enquanto na UHE convencional o reservatório é projetado para criar ou concentrar a queda de um rio, na UHR a queda é o próprio desnível natural abrupto de uma serra, ficando o reservatório apenas para conter o volume de geração e bombeamento, num circuito fechado ou semiaberto. Também para comparação, a UHE Ilha dos Pombos, no Rio de Janeiro, com 187 MW, tem um reservatório similar, com 7 hm³. Os reservatórios, por serem pequenos, sofrerão oscilações consideráveis e frequentes do nível d água, podendo essa variação ser diária ou semanal, dependendo da duração do ciclo bombeamento e geração. A exceção à variação se dá em casos nos quais um dos reservatórios seja existente e infinito (por exemplo, quando se usa o reservatório existente de uma hidrelétrica). Tais variações de nível podem provocar erosão das margens. Tamanha variação no nível d água acaba criando uma faixa

6 inóspita à habitação. A operação da usina reversível determinará a qualidade da água bombeada ao reservatório superior, que poderá implicar, ou não, em impactos à fauna e flora. Embora não haja legislação específica para este tipo de usina, é possível a aplicação da existente, mormente quanto às leis da Política Nacional de Meio Ambiente e da Política Nacional de Recursos Hídricos, inclusive quanto à outorga de direitos de uso. Há que se discutir o enquadramento dessa usina. A cobrança pelo uso da água deve ser um ponto para discussão. Por se tratar de um circuito fechado ou semiaberto, há a criação do volume inicial e depois disso, apenas a água necessária à reposição por evaporação e outras perdas. A isenção da taxa pode vir a ser um incentivo à viabilização desse tipo de usina. Da legislação ambiental infere-se que a UHR estará condicionada ao processo de Estudo de Impacto Ambiental (EIA) e Relatório de Impacto do Meio Ambiente (RIMA), bem como suas medidas e obtenção das licenças prévia (LP), de instalação (LI) e de operação (LO). 5. Estudo de caso Aspectos Técnicos Um projeto de P&D da ANEEL nos termos da Lei 9991 de 2000 foi desenvolvido pela CESP, em e considerou um estudo de caso de UHR na Serra do Mar, litoral norte do Estado de São Paulo ao nível de projeto de concepção. Os locais dos reservatórios ainda são viáveis. Com um olhar aplicado sobre este estudo de caso, a pesquisa buscou contextualizar a importância, os benefícios e os contraditórios da implantação de uma usina hidrelétrica reversível, com as finalidades inerentes a este tipo de usina, associadas a benefícios precípuos de uso dos recursos hídricos, como o abastecimento público a cidades litorâneas, melhorando as condições sanitárias que se agravam no verão e como também melhorando as condições elétricas da região, conciliando benefícios sistêmicos e necessidades regionais. Essa alternativa havia sido estudada no passado e demonstrava vantagens de ordem logística, ecológica e de suporte básico de investigações, pois já contava com acessos rodoviários implantados, instalações em faixa já explorada por outros empreendimentos e por isso, com menor impacto ecológico adicional, além de considerável volume de dados topográficos e geológicos, devido aos estudos realizados. A utilização de um

7 reservatório (superior) existente contribui significativamente para a viabilidade do caso, que tem o seguinte arranjo para a UHR: Cota Máx: 714 m Cota Mín: 706 m Vol. Útil: 8,1 hm 3 Chaminé de Equilíbrio Reservatório Superior UHR Q ger 157,4 m 3 /s Q bom 78,4 m 3 /s P ger 786 MW 504 MW P bom 666 m 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 Túnel Q 51,2 m 3 /s Ø 2,00 m Casa de Força PELTON (2 x 131 MW) Cota: 75 m Cota Máx: 70 m Cota Mín: 48 m Vol. Útil: 7,5 hm 3 Reservatório Inferior 0,5 m 3 /s (abastecimento) Figura 2 Desenho esquemático da UHR Estudo de Caso Os dados característicos do estudo de caso são: Potência instalada total de geração: 786 MW, sendo 4 grupos turbinas-bombas Francis x 131 MW e 2 grupos geradores 131 MW Pelton. Reservatório superior com 8,1 hm³ de volume útil variando entre as cotas 706 m e 714 m; Reservatório inferior com 7,5 hm³ de volume útil variando entre as cotas 48 m e 70 m; Um túnel de adução escavado em rocha, com m de comprimento e 6,5 m de diâmetro desde o reservatório até a chaminé de equilíbrio; Dois túneis escavados em rocha, revestidos em concreto, com 3,10 m de diâmetro até a Casa de Força Subterrânea na Cota Zero com 4 grupos turbinasbomba de 131 MW; Um terceiro túnel escavado em rocha, revestido em concreto, com 2,0 m de diâmetro até a Casa de Força Pelton na Cota 75 m com 2 grupos geradores de 131 MW; Retirada de 0,5 m 3 /s de água do reservatório inferior para abastecimento local;

8 O arranjo com 4 grupos turbo-bombas e 2 grupos geradores Pelton foi decorrente da perspectiva de atendimento elétrico regional, com os 2 grupos Pelton escoando energia em 138 kv e os 4 grupos Francis conectados ao 345 kv. Esta linha de 345 kv é proveniente da subestação onde conecta-se a linha 765 kv oriunda da usina hidrelétrica de Itaipu. As conexões com a Rede Básica se dariam a cerca de 3 km da planta. Uma parceria com um fornecedor de equipamentos permitiu detalhar o projeto eletromecânico do estudo de caso, aproximando-o da realidade de mercado. O custo estimado da casa de força das turbobombas e da casa de força Pelton, considerando: turbinas, RV, válvulas, equipamentos hidromecânicos, barramentos e equipamentos auxiliares, sistema de comandos, controle e proteção e sistema de telecomunicação, mais, transformador e subestação, foi da ordem de R$ 600 milhões, sem os impostos (ICMS, IPI, PIS, COFINS) e sem a instalação. O prazo de fornecimento desses equipamentos foi estimado em 32 meses para entrada em operação comercial da 1ª unidade e 38 meses até a última unidade. O custo do quilowatt instalado do caso estudado é da ordem de R$ 2.500, Estudo de caso Garantia Física No sentido de conciliar a usina hidrelétrica reversível do caso de referência aos princípios de expansão de geração no Brasil e de comercialização de garantia física, com algum esforço técnico tendo como base as metodologias das Portarias MME 303 e 258, adaptadas, foi calculada a garantia física dessa usina. A garantia física resultante foi de 240 MW médios, que corresponderia à garantia física de uma usina hidrelétrica convencional equivalente, com as características da UHR em referência e com afluências de vazões históricas fixas e iguais à premissa de geração de 47 horas semanais. 7. Aspectos Comerciais e Regulatórios da UHR no SIN O grande desafio para inserção das usinas hidrelétricas reversíveis no setor elétrico brasileiro é a regulação dos aspectos comerciais desse tipo de agente de geração, mormente quanto à outorga desses empreendimentos por meio de leilões, sem considerar alterações muito profundas aos processos existentes. No projeto de P&D desenvolvido pela CESP se verifica que a viabilidade dessas usinas em outros mercados decorre principalmente de valores diferenciados da energia,

9 para os vários patamares de carga, o que não se aplica ao SIN. O trabalho reconhece pelo menos três dificuldades para a proposição regulatória de UHR no modelo brasileiro: (i) A falta de um mercado de potência ou de serviços ancilares, que poderia ser uma referência; (ii) A pequena diferenciação, quando existente, dos preços de curto prazo (PLD) entre as cargas pesadas, média ou leve e (iii) A inexistência de empresas verticalizadas, onde haveria compensação financeira para investimentos em UHR, diante dos seus benefícios não apenas no componente Geração, mas nos demais segmentos (T e D), como ocorreu com grande parte dos projetos de UHR nos EUA, em período prévio ao mercado competitivo. A partir de premissas pouco triviais, chega-se às seguintes alternativas para inserção da UHR no mercado brasileiro: a) Venda da geração no CCEAR e aquisição do bombeamento por tarifas de suprimento especiais; b) Venda da geração no CCEAR e aquisição do bombeamento em excedentes da carga leve (exigiria maiores mudanças regulatórias); c) Venda da geração no CCEAR e inserção da usina no MRE. 8. Conclusões Do ponto de vista tecnológico, não abordado neste artigo, usinas hidrelétricas reversíveis encontram-se bem desenvolvidas e consolidadas pelo mundo, com arranjos dos mais diversos tipos, entre turbinas, bombas e turbinas-bombas, entre as quais as de tecnologia de curto-circuito hidráulico e as de velocidades variáveis, as de estágio simples e múltiplos, cada qual mais ou menos indicada para cada solução que se busca, ágeis, bem eficientes e em preços compatíveis com as tecnologias convencionais. A evolução da matriz energética brasileira, bem como as tendências e mesmo a configuração atual do sistema elétrico, indica a necessidade desse tipo de fonte de geração, que trará muitos benefícios ao Sistema Interligado Nacional. O potencial de hidrelétricas reversíveis no Brasil excede em muito a necessidade atual e futura dessas usinas no SIN, o que possibilita inventariar esse potencial considerando alternativas mais econômicas para implantação. A viabilidade econômica desse tipo de usina passa por uma solução que seja compatível com o modelo do setor elétrico brasileiro, como por exemplo, a atribuição

10 de uma Garantia Física a ser disputada em leilão, associada ao reconhecimento dos benefícios que a UHR traz ao sistema, possibilitando sua integração ao MRE. 9. Referências Bibliográficas PROJETO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO A retomada do conceito de usinas hidrelétricas reversíveis no setor elétrico brasileiro Código ANEEL PD /2011. JOG, M. G. Hydro-electric and pumped storage plants. John Willey & Sons, pag , CONNOLLY, D.; LUND, H.; FINN, P.; MATHIESEN, B.V.; LEAHY, M. Practical operation strategies for pumped hydroelectric energy storage (PHES) utilizing electricity price arbitrage. Energy Policy Volume 39, Issue 7, Pages , JUL HIDROSERVICE - Engenharia de Projetos. (1979). Estudos de Viabilidade Técnico-econômica - Relatório Final - Volume I - usina hidrelétrica reversível de Caraguatatuba. São Paulo: CESP. TER-GAZARIAN, A. Energy storage for power systems, chapter 6, pages Institution of Engineering and Technology, 1994.