Seminário Brasileiro de Qualidade e Armazenamento de Energia Os desafios regulatórios, comerciais e tecnológicos para armazenamento de energia: O papel das usinas reversíveis Dr. Manuel Gonçalves, diretor de engenharia da Voith Hydro Ltda., São Paulo, Brasil
Transição da matriz energética pela expansão das usinas reversíveis: perspectivas no Brasil
Resumo 1. Um pouco sobre a Voith 2. Voith: Algumas de nossas referências 3. Usinas reversíveis no Brasil: esta história começou a ser escrita há mais de 70 anos! 4. Por que precisaremos de plantas com máquinas reversíveis no Brasil? 3
Um pouco sobre a Voith Usinas Reversiveis, Brasilia, 2014-novembro-11 4
A Voith em números In over 50 countries 43,000 Employees 5 Markets R&D ratio Family-owned since Sales 4.2 % 1867 5.7 billion Stand: 2012/13
Quatro divisões de negócios Voith GmbH Voith Hydro Full-line supplier for hydro power plant equipment Voith Industrial Services Leading supplier of technical services Voith Paper Partner and pioneer in the paper industry Voith Turbo Intelligent drive systems and solutions Energy Transport & Automotive Paper Raw Materials Oil and Gas
Energia Um quarto de toda a energia produzida no mundo é gerada com equipamentos ou serviços fornecidos pela Voith! 7 7
Voith: Algumas de nossas referências Usinas Reversiveis, Brasilia, 2014-novembro-11 8
Unidades reversíveis com Ampla Variação de Queda - Limberg II (Áustria) Variação de queda H [m] 432 273 Velocidade de rotação n [rpm] 428.6 Diâm. de entrada do rotor da Turbina D2 [m] ~3.9 Vazão individual no modo de Bomba [m³/s] 71.8 Variação de potência entregue pela Turbina PTu [MW] 240-136 Número de estágios 1 Usinas Reversíveis Brasília 11-11-14 9
Unidades reversíveis com Velocidade Variável: Goldisthal (Alemanha) / Frades II (Portugal) Frades II Goldisthal Variação de queda H [m] 413.64-431.8 279.2-334.0 Nominal / máx. Potência da Turbina P Tu [MW] 382.5 / 400 269 / 325 Diâm. entrada da Turbina D 2 [m] ~ 4.500 ~ 4.600 Velocidade de rotação n [rpm] 375 350-380.9 300-346.6 333.3-7 % / +2% -10% / + 4% Usinas Reversíveis Brasília 11-11-14 10 Usina Goldisthal, Alemanha
Unidades reversíveis dotadas de bombas com Múltiplos estágios: Kops II (Áustria) Operação de curto circuito hidráulico Conversor de torque hidráulico (HTC) Usinas Reversíveis Brasília 11-11-14 Variação de queda H [m] 818.2-723.1 Velocidade de rotação n [rpm] 500 Diâm. de entrada do rotor da Turbina D2 [m] ~2.8 Potência consumida PPu [MW] - mínima queda 162 Vazão no modo de Bomba [m³/s] 18.5 Variação de potência entregue pela Turbina PTu [MW] 150-173 11 Número de estágios 3
Usinas Reversíveis no Brasil: Esta história começou a ser escrita há mais de 70 anos! 12
O Brasil, junto com a Voith, foi pioneiro neste tipo de aplicação! 1939, Usina Elevatória de Pedreira, Brasil, primeira máquina reversível, radial no mundo! (fonte EMAE)
Vamos reescrever a história, voltando um pouco no tempo? 1922, São Paulo Eng. Asa White Kenney Billings 1940, Traição 1939, Pedreira A dificuldade: os rios em São Paulo não corriam para o mar! A solução: máquinas reversíveis
Por que precisaremos de plantas com máquinas reversíveis no Brasil? Usinas Reversiveis, Brasilia, 2014-novembro-11 15
Por que precisaremos de plantas com máquinas reversíveis? 1. Diminuição da capacidade de armazenamento de energia pela construção de usinas a fio d água nos últimos anos; 2. As fontes renováveis, como a energia eólica e a energia solar terão uma participação cada vez maior em nossa matriz energética! 3. Contribuição na regulação da rede elétrica compensando as variações das fontes renováveis
Diminuição da capacidade de armazenamento de energia pela construção de usinas a fio d água com pequenos volumes de reservatórios, sem significativos impactos ambientais, e normalmente em pontos estrategicamente escolhidos, as usinas reversíveis permitem armazenar energia, nos períodos de baixo consumo, e gerar energia nos horários de ponta
Potência Instalada (MW) Volume útil (1000 hm³) Os grandes reservatórios de armazenamento ficaram no passado! 100000 90000 80000 70000 60000 50000 40000 30000 20000 Capivara 5,7.10³ hm³ Sobradinho 28,7.10³ hm³ São Simão 5,5.10³ hm³ Á. Vermelha 5,2.10³ hm³ Itumbiara 12,5.10³ hm³ Ilha Solteira e 3 Irmãos 16,3.10³ hm³ Marimbondo 5,3.10³ hm³ Três Marias 15,3.10³hm³ Furnas 17,2.10³hm³ Nova Ponte 10,4.10³ hm³ Emborcação 13,1.10³ hm³ Tucuruí 39,0.10³ hm³ Serra da Mesa 23,7.10³ hm³ ( aprox. 55% V.U.) 300 270 240 210 180 150 120 90 60 10000 30 0 0 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Os treze maiores reservatórios citados, possuem um volume útil maior que 5x10³ hm³ e, juntos, correspondem a 78% do Volume Útil total acumulado no SIN 18
Meses Hoje nossa capacidade de regularização dos reservatórios está bastante reduzida! 6,00 5,00 4,00 3,00 Índice: Energia armazenada 100%/Carga anual Índice: Energia armazenada anual/carga anual 5,63 5,55 5,46 5,34 5,39 5,12 5,04 4,9 4,82 4,23 4,03 3,88 3,72 3,69 3,44 3,32 2,95 2,57 2,00 1,00 0,00 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 19
Evolução planejada da capacidade de armazenamento do SIN, entre 2014 e 2023, será de apenas 7 GW médios (2%), (PDE 2023) (2%) Fonte: EPE 20
As fontes renováveis, como a energia eólica e a energia solar terão uma participação cada vez maior em nossa matriz energética! As fontes de energia eólica e solar não podem ser consideradas fontes de energia firme; as variações do clima, associadas com a demanda de energia do sistema ao longo dos períodos, podem ser gerenciadas pelas usinas reversíveis!
Energia eólica: evolução da capacidade instalada em MW! 16000 14000 12000 10000 8000 6000 Previsão para leilão A-5 EPE (set-2014) Fontes Projetos Oferta (MW) Eólica 763 18760 Fotovoltaica 224 6068 Heliotérmica 8 240 Hidrelétrica - UHE 9 1261 Pequenas Centrais Hidrelétricas - PCH 30 526 Termelétricas a Biomassa 32 1917 Termelétricas a Carvão 10 4490 Termelétricas a Gás Natural 39 20607 Total 1115 53869 7199,3 9896,5 11492,1 12117,5 14426,4 4000 2000 0 3462,2 2514 27,1 235,4 245,6 323,4 601,4 931,8 1430,5 Anos 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Acumulada (MW) Nova (MW) Fonte: ABEEólica (31/08/14) 22
A participação percentual das diversas fontes de geração na matriz energética indica claramente a tendência futura (PDE 2023) 80 70 60 2013 2017 2023 50 40 30 20 10 0 HIDRO EOLICA BIO PCH SOLAR UTE NUCLEAR 23
contribuição na regulação da rede elétrica compensando as variações das fontes renováveis as usinas reversíveis podem contribuir de forma segura na regulação e estabilidade da rede elétrica, tanto para variações de carga e demanda, quanto para gerenciar a capacidade de transmissão de energia elétrica nas diversas situações de operação do sistema
71% do aumento da potência instalada se dará nas regiões NE e NO Potência instalada por subsistema do SIN (PDE 2023) Participação percentual por subsistema do SIN (PDE 2023) 25
Por outro lado, a carga de energia, assim como a maior parte da carga de demanda instantânea no SIN e seus subsistemas, continuarão localizadas na região sudeste Subsistema Ano Norte Nordeste Sud / CO Sul SIN MW médio 2014 5496 10019 39342 10974 65830 2018 6769 11753 46056 12629 77207 2023 7994 14263 55232 15226 92714 Período 2013-2018 7,8 4,0 Variação (% a.a.) 4,0 3,5 2018-2023 3,4 3,9 3,7 3,8 2013-2023 5,6 4,0 3,8 3,7 Subsistema Ano Norte Nordeste Sud / CO Sul SIN MW 2014 6609 12515 51031 16186 84481 2018 8042 14681 59719 18637 99102 2023 9528 17816 71595 22468 118993 Período 2013-2018 5,5 3,9 Variação (% a.a.) 3,5 3,1 2018-2023 3,5 3,9 3,7 3,8 2013-2023 4,5 3,9 3,6 3,4 26
SIN e o desafio de gerenciar carga e demanda em todas as regiões do país 27
Usinas reversíveis O desafio da regulação A usina reversível não pode ser considerada como um ativo de geração puro; a usina reversível presta um serviço de armazenamento de energia, contribuindo para a estabilidade da rede, reserva girante, etc.; Nas discussões que se seguirão deveremos considerar as diversas possibilidades de participação deste tipo de usina, UHR isoladas; UHR associadas a parques eólicos ou fotovoltáicos; UHR associadas a plantas térmicas 28
A questão não é se teremos usinas reversíveis! A questão é, onde e quando começamos! 29
Contato: Dr. Manuel Gonçalves Diretor de engenharia Fone +55 11 3944-5084 manuel.goncalves@voith.com Contato: Werner Lacher Diretor de marketing e vendas Fone +55 11 3944-5101 werner.lacher@voith.com Contato: Tadeu Valencio Gerente de vendas Fone +55 11 3944-5078 tadeu.valencio@voith.com 30