Sstema Itegrado de Plaeameto e Comercalzação de Eerga Geração Térmca Rafael de Souza Favoreto, CEHPAR LACTEC; Marcelo Rodrgues Bessa, CEHPAR LACTEC; Wlso Tadeu Pzzatto, COPEL; Luz Roberto Morgester Ferrera, COPEL e Marco Luz Bloot, COPEL. Resumo - O Sstema Itegrado de Plaeameto e Comercalzação de Eerga é resultado do proeto de P&D Copel- ANEEL, Estratégas de Plaeameto Empresaral sob Icerteza. Este sstema procura ateder as ecessdades da cocessoára cosderado o cotexto do Setor Elétrco Braslero, date da complexdade do sstema e dos dversos fatores de rsco assocados. Por sso é mprescdível a uma empresa de geração de eerga o uso de ferrametas que auxlem o processo de tomada de decsão, as áreas de plaeameto e comercalzação de eerga elétrca. O obetvo fal do sstema é a aferção da retabldade de um agete de geração, operado o mercado de eerga, detro de um sstema terlgado predomatemete hdrelétrco, cosderado o bômo retoro/rsco. Neste artgo apresetamos parte do trabalho até agora desevolvdo. Dscutmos e detalhamos o smulador de térmca a gás do sstema tegrado para um melhor etedmeto desta mportate forma de geração complemetar. Palavras-chave Complemetação Térmca, Gás Natural, Geração de Eerga, Termelétrca, Térmca a gás. I. INTRODUÇÃO A otmzação da cartera de atvos de uma empresa de geração de eerga do setor elétrco, composto bascamete de atvos físcos, como usas hdrelétrcas/termelétrcas, e por mecasmos de redução de rsco, como os cotratos blateras de forecmeto de eerga, deve levar em cota, de maera tegrada, os rscos assocados ao setor, como a certeza hdrológca, as mauteções dos sstemas de geração, as taxas de crescmeto de cosumo e demada do mercado de eerga, os preços de curto prazo do Mercado Atacadsta de Eerga, etre outros fatores. O presete trabalho descreve uma das atvdades da ferrameta aalítca Sstema Itegrado de Plaeameto e Comercalzação de Eerga. O sstema completo apreseta uma metodologa para a tegração de dversos modelos computacoas, utlzados para o apoo a tomada de decsões, com o obetvo de maxmzar o retoro de vestmetos de empresas do setor elétrco. Para um melhor etedmeto do processo global, calmete é feto um resumo das dversas etapas e modelos utlzados para o plaeame- Marcelo Rodrgues Bessa e Rafael de Souza Favoreto trabalham o LACTEC CEHPAR, Cetro de Hdráulca e Hdrologa Professor Pargot de Souza, do Isttuto de Tecologa para o Desevolvmeto (e-mals: bessa@lactec.org.br e favoreto@lactec.org.br). Wlso Tadeu Pzzatto, Luz Roberto Morgester Ferrera e Marco Luz Bloot trabalham a COPEL, Compaha Paraaese de Eerga (e-mals: pzzatto@copel.com, luz.roberto@copel.com e mlbloot@copel.com). to e comercalzação de eerga do setor elétrco braslero. A atvdade descrta este artgo é a etapa de smulação da operação de uma usa térmca a gás. Esta é uma atvdade cua operação é dspedosa durate o processo de geração. Exstdo a tedêca de uma maor partcpação do parque gerador térmco com relação ao resto da matrz eergétca braslera, é mportate cohecer todo o processo de geração térmca e as mplcações de sua utlzação. II. ETAPAS DO SISTEMA O Sstema Itegrado de Plaeameto e Comercalzação de Eerga Elétrca é composto das segutes etapas:. Costrução de Ceáros de Demada e Oferta de Eerga; 2. Determação da Estratéga Ótma de Operação do Sstema Iterlgado Nacoal - SIN; 3. Smulação a Usas Idvdualzadas do SIN; 4. Modelagem dos Atvos o Mercado de Eerga; 5. Gerecameto do Rsco vs. Retoro da Cartera de Atvos; Na etapa de Costrução de Ceáros de Demada e Oferta de Eerga são defdas as premssas báscas para a costrução de ceáros de demada e oferta de eerga do SIN (Sstema Iterlgado Nacoal) detro de um período de tempo, deomado período de estudo, que pode varar de algus meses a város aos. Para a determação da Estratéga Ótma de Operação do SIN a polítca operatva ótma do sstema de geração braslero é calculada para o ceáro de oferta/demada produzdo a etapa cal. Para sso é ecessáro determar, para cada etapa do período de plaeameto, as metas de geração para cada usa que atedam a demada e mmzem o valor esperado do custo total de operação ao logo do período. Este custo total é composto pelo custo varável de combustível das usas termelétrcas e pelo custo atrbuído às terrupções de forecmeto de eerga. O software NEWAVE (Modelo Estratégco de Geração Hdrotérmca a Subsstemas Equvaletes), desevolvdo pelo CEPEL (Cetro de Pesqusa de Eerga Elétrca), mplemeta uma metodologa para determação das estratégas da operação hdrotérmca a logo prazo, com represetação agregada do parque hdrelétrco e cálculo da polítca ótma de operação do Sstema Iterlgado Nacoal []. A metodologa de otmzação é cohecda como Programação Dâmca Estocástca Dual (PDDE).
2 A tercera etapa é a Smulação a Usas Idvdualzadas do SIN. Nesta etapa a operação do Sstema Iterlgado Nacoal é smulada pelo SUISHI-O (Modelo de Smulação a Usas Idvdualzadas para Subsstemas Hdrotérmcos Iterlgados), também desevolvdo pelo CEPEL [2]. A terface deste modelo é mostrada a fgura. Nesse modelo o Sstema Iterlgado Nacoal é represetado por usas hdrelétrcas e termelétrcas dvdualzadas. As usas hdrelétrcas podem ser de dos tpos: a fo d água, quado seu volume armazeado ão vara, ou com reservatóro, quado apreseta uma sgfcatva capacdade de regularzação. Deomam-se usas termelétrcas todas as demas usas geradoras (uclear, carvão, gás, óleo, desel, bomassa, etc.) que possam ser represetadas por capacdades míma e máxma e um custo utáro de geração costate, sem ehuma restrção adcoal sobre sua dspobldade. Fgura Modelo Computacoal SUISHI-O A Modelagem dos Atvos o Mercado de Eerga, quarta etapa do smulador, faz a aálse do comportameto ecoômco e facero da cartera de atvos de uma empresa do setor elétrco. Para sso é produzdo um modelo computacoal, que capture a estrutura e a dâmca de cada atvo, o ambete do setor elétrco. Nesta fase são calculadas as tarfas por uso do sstema de trasmssão. Estas tarfas são mportates devdo ao peso sgfcatvo dos custos de trasmssão o Brasl e ao fato das mesmas depederem da localzação e capacdade stalada da usa. A metodologa utlzada é a mesma determada pela ANEEL (Agêca Nacoal de Eerga Elétrca). Para as usas hdrelétrcas, esta etapa do processo é cotablzado o chamado Mecasmo de Realocação de Eerga (MRE), um esquema compulsóro de redução de rsco hdrológco. No MRE, a geração físca de cada usa em cada estágo e patamar de demada é substtuída por um crédto de eerga, que é proporcoal à geração hdrelétrca total do sstema este mesmo mês e patamar. No processo de cotablzação do CCEE, o chamado Certfcado de Eerga Assegurada da usa, reflete a cotrbução de logo prazo de cada hdrelétrca para a produção do couto de usas. A quta e últma etapa cotempla o Gerecameto do Rsco vs. Retoro da Cartera de Atvos. O gerecameto de uma cartera de eerga composta por atvos físcos como usas hdrelétrcas e térmcas e de mecasmos de redução de rsco como cotratos blateras de forecmeto de eerga, cotratos de compra de combustíves, etc, cuo obetvo é a maxmzação da retabldade do agete, deve clur ão só uma avalação de retoro, mas também uma avalação detalhada do rsco do egóco. A teora de carteras, troduzda por MARKOWITZ em 952 [3] [4], supre esta ecessdade. Muto embora ela teha sdo proposta orgalmete para a aálse de rsco de carteras de ações e títulos faceros, é possível adaptá-la para a aplcação em carteras de atvos de eerga. Markowtz propõe que o retoro esperado de uma cartera de atvos E(r) cart é a méda poderada dos retoros esperados dos atvos que a compõem. E( r) cart x E( r ) A soma das partcpações dos atvos a cartera deve ser gual a um, ou sea: x Ada segudo Markowtz, a varâca do retoro de uma cartera de atvos σ 2 cart depede da varâca do retoro de cada atvo e da covarâca dos retoros dos atvos da cartera. 2 σ cart x x Cov A teora de carteras desevolvda por Markowtz é bascamete um problema de programação quadrátca. O obetvo da teora é mmzar o rsco da cartera sueto a duas restrções leares. A solução deste problema é um vetor de partcpação x que mmza o rsco da cartera f(x) para um ível de retoro deseado E*. Colocado em formato de otmzação, obtemos: f ( x) M Sueto a: x E( r ) E x * x x Cov Logo, represetado de modo gráfco, temos que a área sombreada da Fgura 2, deomada couto vável, represeta as combações possíves para uma cartera composta por múltplos atvos. Todas as combações possíves estão cotdas esta regão lmtada, de forma que ehum atvo dvdual ou combação de atvos stua-se fora da área sombreada. Embora as combações de atvos determem uma superfíce bdmesoal, o couto efcete, ou sea, as carteras mas atratvas, estão stuadas o lmte superor da área etre MV e X. Qualquer poto abaxo deste couto apre-
3 seta retoro esperado feror e mesmo desvo padrão em relação a um poto do couto efcete. Retoro Esperado da Cartera MV R W Desvo Padrão do Retoro da Cartera Fgura 2 MARKOWITZ - Rsco vs. Retoro Partdo do modelo dealzado por MARKOWITZ podemos calcular váras meddas de rsco e otmzar a cartera de atvos físcos e faceros do agete, para determar a frotera efcete de Rsco vs. Retoro, por exemplo, determado qual é a melhor combação (melhor mx ) de cotratos blateras (CCAR), de curto prazo, mercado spot e vestmeto [5]. III. GERAÇÃO TÉRMICA Detro do Sstema Itegrado de Plaeameto e Comercalzação de Eerga Elétrca um dos fatores que pode represetar um elevado custo operacoal é a forma de operação da geração térmca de eerga, sto devdo ao preço do combustível. O smulador de geração de eerga através de uma usa térmca é utlzado a tercera etapa do sstema tegrado, Smulação a Usas Idvdualzadas do SIN. Apesar dsso, a sua utlzação e seus resultados tem reflexos a etapa dos, Determação da Estratéga Ótma de Operação do Sstema Iterlgado Nacoal. O fucoameto, operação e procedmetos de uma usa termelétrca são calmete baseados o exposto o trabalho orgazado por LORA e NASCIMENTO [6]. O combustível utlzado é o gás atural, produto exstete em dversos locas do Brasl e da Amérca do Sul, com terlgação através de gasodutos. O produto apreseta grade dspobldade, mas está sueto à terferêca da polítca etre os países sul-amercaos e o mercado teracoal do produto. Em prcípo, o custo varável do combustível é o valor declarado ao ONS (Operador Nacoal do Sstema) para defção do despacho desta usa. A correta determação deste valor é de fudametal mportâca para a operação mas ecoômca e efcete de uma usa térmca. Além dsso, o mometo em que a usa está stuada e a sua codção de operação também pode determar uma modfcação X o custo varável que pode ser declarado. Para a melhor avalação do custo varável de operação e detalhameto para a modelagem dos atvos de geração térmca o mercado de eerga é desevolvdo um smulador de usa térmca a gás atural. Este smulador é chamado de STerGas (Smulador de Térmca à Gás) Este smulador utlza os prcpas custos evolvdos a operação de uma usa térmca a gás, com especal destaque para o cotrato de forecmeto de gás atural. O emprego de smuladores permte a mapulação do sstema, expermetado dferetes decsões e vsualzado suas coseqüêcas. Pode-se trabalhar também com o modelo que está por trás da smulação, questoá-lo e modfcá-lo, vsado adequá-lo à realdade e melhorar o desempeho do sstema. No desevolvmeto do smulador é utlzada a técca de Dâmca de Sstemas (System Dyamcs). Esta técca fo desevolvda pelo egehero e pesqusador orteamercao Jay W. Forrester, um dos poeros da computação eletrôca. Ela fo calmete desevolvda para proetar sstemas de cotrole e depos fez sua aplcação a sstemas socas, ecoômcos e ambetas. Sstemas são a tetatva de represetação de uma percepção da realdade [7], equato modelos dâmcos são aqueles voltados a sstemas em que o desevolvmeto do sstema modfca o comportameto do própro modelo, stuação típca de modelos socas. A utlzação de sstemas dâmcos é partcularmete mportate por que durate a execução de um proeto dversas ações gerecas são tomadas e premssas, metodologas, metas e obetvos podem ser modfcados. Os modelos de represetação de proetos em rede falham em represetar essas relações dâmcas, que podem levar a resultados completamete opostos ao esperado [8]. O software utlzado para o desevolvmeto do modelo é o Powersm, que é desevolvdo para aplcação de Dâmca de Sstemas. Este programa é um ambete tegrado para costrução e operação de modelos de smulação. O ambete utlza uma lguagem de modelagem gráfca trasparete, sedo cradas estruturas explíctas e de fácl vsualzação. O cotrato de forecmeto de combustível a uma usa térmca é parte sgfcatva das despesas da Usa a Gás, prcpalmete quado ocorre a preseça de cláusulas o estlo pague-ou-pague (Take-or-Pay, Shp-or-Pay) e dexada em moeda estragera [9]. Na cláusula de compra míma do produto (commodty) é cosderado que a quatdade comprada, paga e ão cosumda do produto pode ser utlzada posterormete, desde que acma da compra míma. Além dsso, esse cosumo tem um prazo para acotecer e ão deve exceder a duração do cotrato. Com base em um modelo de cotrato de gás com essas característcas fo desevolvdo um smulador técco que cotemple tas peculardades. Também foram cluídas outras despesas relevates para uma smulação mas ampla, buscado o custo total da usa. Na clusão de outros custos (que ão os do cotrato de forecmeto de combustível) utlzou-se uma separação
4 smplfcada de despesas em custos fxos e custos varáves, sem o detalhameto de despesas com mauteções dferecadas (Overhaul) em fução da quatdade de horas operadas ou de úmero de paradas. Essas mauteções de grade porte foram dluídas em um valor médo operatvo. Um maor ível de detalhameto depede do acesso a maores formações téccas e operacoas. Uma parcela das despesas de uma usa térmca depede de detalhes operatvos, como a quatdade de paradas e o tervalo etre essas paradas. Algus desses cudados operatvos podem adar ou atecpar grades mauteções ou substtuções de peças e equpametos. Caso sea ecessáro um detalhameto mas apurado, é recomedável que esses fatores seam levados em cosderação. Para a valoração dos custos fxos optou-se por utlzar um custo dáro. Na apropração de custos varáves, o custo fo valorado por MWh (megawatt hora). Em ambos os casos os valores são aproprados excludo-se os custos do cotrato de gás, cotemplados separadamete. Para a aproxmação de um valor cal decorrete da Operação e Mauteção (O&M), algus valores de operação da usa foram estmados e separados em custos fxos e varáves. Cosdera-se que a turba terá uma vda útl de 20 aos com operação total de 0 meses por ao. Além desses valores, ao logo do período de duração do cotrato de gás foram utlzados dados mesas de CMO (Custo Margal de Operação) e o despacho em MW médos mesas. O despacho pode ter, a prátca, uma varação horára, mas tal detalhameto mplca em uma dfculdade muto grade para apropração de dados e ão resultara em avaços sgfcatvos em uma smulação de 20 aos. Da forma como o modelo está desevolvdo é possível a serção de valores dáros ou qualquer varação proporcoal (semaas, meses, ao), caso sea ecessáro. A smulação também pode ser feta com o detalhameto de uma usa serda a smulação NEWAVE, repetdo-se o despacho determado pelo modelo. Como forma de aálse ddátca, também se pode executar a operação com a utlzação apeas dos preços da eerga para, após um procedmeto teratvo, se covergr para um patamar de preços declarados de eerga. A receta da usa fo estmada pela utlzação do CMO (Custo Margal de Operação) do subsstema Sul, smulado o reflexo da usa trabalhado como descotratada, ou sea, com a eerga sedo vedda ao preço pratcado o mercado de curto prazo ou Preço de Lqudação de Dfereças (PLD). Mesmo para uma usa cotratada essa aálse apreseta o resultado de tê-la operado soladamete, mostrado algumas causas e efetos do mercado e do sstema agdo exclusvamete a usa. Para desevolvmeto de um fluxo de caxa fo elaborado detro do smulador um ovo módulo, acumulado despesas e recetas dáras. As despesas mostradas o fluxo de caxa são de perodcdade mesal, com a separação de despesas e recetas. Foram desevolvdas plalhas de etrada e saída de dados através de um arquvo de MS Excel. Através de um mesmo arquvo, com 4 dferetes plalhas (Dados Geras; CMO; Despacho; Fluxo de Caxa), os dados que almetam e que são resultates do modelo em Powersm são vsualzados destacadamete, sem a ecessdade de teração com o modelo durate a smulação. Após apresetação do modelo e através da aálse crítca, fo feta a trodução de procedmeto para evtar o descarte de gás através da serção de um módulo smplfcado de despacho técco. Esse despacho é atvado quado o reservatóro vrtual de gás atge o lmte recuperável, cosderado o tempo que este gás está dspoível, o úmero de aos para a recuperação e o despacho em um patamar prédefdo. Em valores do cotrato de gás, este é um valor que ão acarretará em ehum gasto adcoal além do calmete estabelecdo, pos o gás utlzado sera descartado e o trasporte e a taxa relatva a cocessoára seram pagos de qualquer forma. Como custo adcoal, ocorrerá uma apropração de custo varável. Em cotrapartda, será gerada receta referetes à veda de eerga. A fgura 3 mostra a terface do smulador STerGas desevolvdo em Powersm, que permte a smulação de dados orudos de plalha eletrôca e forece resultados umércos e gráfcos. Um exemplo dos resultados gráfcos está mostrado a fgura 4. Fgura 3 Modelo STerGas o Powersm Fgura 4 Resultados Gráfcos do Modelo STerGas
5 Detro de cada mês, os despachos dcados o modelo podem ser, ada, otmzados. Ocorredo sso, sem comprometer o despacho mposto pelo ONS, poderá resultar uma dmução dos custos médos. Além dos resultados obtdos, a própra mplatação e utlzação de um smulador de uma usa térmca permtem que o cohecmeto de tal técca sea amplado, com a dscussão de dferetes abordages e a cosoldação das formações. Algus valores foram obtdos com a smulação da usa térmca em dversos ceáros de preço de eerga costates ao logo do tempo. A forma de operação ão fo feta em fução do preço da eerga, mas foram estabelecdos dversos patamares de operação. Como resultado da smulação solada da usa térmca a gás, percebe-se que as cláusulas mímas de compra fazem com que a operação mas ecoômca da térmca a gás ocorra em fução desses valores. A utlzação de uma cláusula de compra míma (Takeor-Pay) e de trasporte mímo (Shp-or-Pay) de 70% e 95%, respectvamete, faz com que, em geral:. O meor custo total de operação da usa ocorra com a utlzação do atvo durate cerca de 70% do tempo dspoível; 2. O meor custo médo de operação ocorra com uma utlzação da usa por cerca de 95% do tempo dspoível. Esses valores cosderam a veda de eerga o mercado spot, por sso são depedetes do preço de veda de eerga. Em casos extremos de afluêca hdrológca (baxa ou elevada) esses valores podem ser dferetes, mas têm uma tedêca aos ctados. Desta forma, a receta de um gerador térmco será maor se o despacho da eerga ocorrer em períodos de estagem (preço elevado), mas ela pode ser ada maor caso ocorressem despachos em algumas stuações de preço de veda meores que o custo médo do combustível. Essa stuação acotece porque até serem atgdos os patamares mímos de compra, a despesa com combustível rá ocorrer mesmo que ele ão sea utlzado, sedo etão o despacho vataoso em fução do custo varável de operação e mauteção. Deve-se levar em cota, também, a expectatva de elevação do preço futuro de veda de eerga, quado pode ser vataosa a aqusção do gás e cosumo posteror. Assm sedo, com a ocorrêca de cláusulas mímas de compra e trasporte de gás, o preço de despacho de uma usa térmca é mas complexo que a smples utlzação do custo varável total ou do custo do combustível. A smulação de uma usa térmca a gás que pode ser serda o sstema tegrado mostra que algus cudados adcoas devem ser tomados ao utlzar essa forma de geração. Os modelos tradcoas do sstema elétrco braslero represetam as udades térmcas geradoras de modo a mutas vezes dstorces os custos reas de sua operação. Assm sedo, ocorre que a operação proposta ão é a mas ecoômca em fução das regras exstetes. O resultado da smulação smplfcada mostra que os cotratos de forecmeto de gás podem crar stuações de grade relevâca operatva ão cotempladas os modelos de smulação vgetes. V. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [] CEPEL - Proeto Newave - Modelo Estratégco de Geração Hdrotérmca a Subsstemas Equvaletes - Maual do Usuáro, Abrl de 2002. [2] CEPEL - Proeto SUISHI-O - Modelo de Smulação a Usa Idvdualzadas de Subsstemas Hdrotérmcos Iterlgados - Maual do Usuáro, Abrl de 2004. [3] Markowtz, Harry. Portfólo Selecto, Joural of Face, 7, 77-9, 952 [4]. Portfólo Selecto: Effcet Dversfcato of Ivestmets, Yale Uversty Press, New Have, CT, EUA, 959 [5] SILVEIRA, Fabíola Sea Vera. Modelo tegrado para avalação de proetos de vestmeto o setor elétrco. Tese de Doutorado UFSC, programa de pósgraduação em egehara elétrca. Floraópols, 200 [6] LORA, Electo Eduardo Slva e NASCIMENTO, Marco Atôo Rosa do (coordeadores). Geração termelétrca: plaeameto, proeto e operação. Ro de Jaero: Itercêca, 2004. 2 volumes (296 p.) [7] MOHAPATRA, Pratap K.J.; MANDAL, Puredu e BORA, Madhab C.. Itroducto to system dyamcs modelg. Hyderguda, Hyderabad: Uverstes Press Ida Ltd, 984. [8] AMARAL, João Alberto Arates do e SBRAGIO, Rcardo. A dâmca do proeto: uma vsão sstêmca das coseqüêcas de ações gerecas. São Paulo: Scortecc, 2003 [9] PINHEL, Atoo Carlos da Costa. Smulação de uma usa térmca a gás o ovo cotexto do setor elétrco braslero: uma aálse rsco x retoro. Dssertação de Mestrado, programas de pós-graduação de egehara da Uversdade Federal Do Ro De Jaero (UFRJ COPPE). Ro de Jaero, 2000 IV. CONCLUSÃO Os resultados gerados pelo Sstema Computacoal Itegrado forecem subsídos ao processo de tomada de decsão, como a costrução de ovos empreedmetos de geração de eerga, operação otmzada dos atuas e a comercalzação da eerga dspoível, de uma empresa de geração do Setor Elétrco Braslero.