UMA PROPOSTA DE MUDANÇA DO ATUAL MODELO HIDROTÉRMICO PARA HIDROEOLIOELÉTRICO NO BRASIL

UMA PROPOSTA DE MUDANÇA DO ATUAL MODELO HIDROTÉRMICO PARA HIDROEOLIOELÉTRICO NO BRASIL Nicorray de Queiroz Santos 1, Fernando Luiz Marcelo Antunes 2 1 Universidade Federal do Ceará, campus do Pici, CEP 60455-760. 2 Universidade Federal do Ceará, campus do Pici, CEP 60455-760 nicorray.queiroz@gmail.com Resumo Este artigo irá apurar e analisar o fator de capacidade dos parques eólicos no Brasil, com o propósito de avaliar a penetração das eólicas no sistema elétrico brasileiro. Indicador de performance mais relevante, atualmente utilizado nos estudos e no planejamento de produção de energia elétrica, esta análise foi feita para os Estados Brasileiros, onde já há operação comercial de parques eólicos. Os fatores de capacidade analisados foram para os anos de 2009 a 2014 em todas as plantas eólicas, conforme estabelecido no procedimento de rede do Operador Nacional do Sistema Elétrico. O estudo permite ainda analisar comparativamente o valor planejado e verificado, em percentual. Com a aplicação das funções de probabilidade de Rayleigh e Weibull foi possível comparar os fatores de capacidade encontrados na simulação, com aqueles verificados no mesmo período. Foi avaliado também a participação da energia eólica na matriz energética brasileira, quando comparado com a demanda em MW Médio, e ainda são feitas proposições para viabilizar a alteração do modelo elétrico brasileiro como matriz hidroeólioelétrico em substituição ao modelo hidrotérmico, para algumas regiões com potencial eólico. Palavras-chave: Fator de Capacidade, Matriz Energética, velocidade do vento. Abstract This article will investigate and analyze the capacity factors of wind farms in Brazil, in order to assess the penetration of wind power in the Brazilian electrical system. More relevant performance indicator currently used in studies and in the electricity production planning, this analysis was done for the Brazilian States, where there are commercial operation of wind farms. The capacity factors comprising the period

among 2009-2014 and were analyzed in all the Wind Farms according to grid codes by the National Electric System Operator. The study intends to compare the predicted and actual values for the generated power measure in percentage quantities. With the application of the functions of probability of Rayleigh and Weibull was possible to compare the capacity factors found in the simulation, with those a data verified in the same period. It was also evaluated the participation of wind energy in the Brazilian energy matrix, compared with demand in MWavg. Besides some issues are proposed regarding the possible replacement of conventional hydrothermal model of generation for the hydrowind one in some specific regions whose wind potential is prominent. Keywords: Capacity Factor, Energy Matrix, Wind speed. 1. INTRODUÇÃO Brasil atualmente possui uma penetração na matriz energética pela fonte eólica de 6,6 GW de potência instalada (Aneel, 2015) e fator de capacidade médio registrado no ano de 2014 de 39,1%, quando verificado os principais estados federativos do Brasil para geração de energia elétrica pela fonte eólica dos quais são BA-Bahia, RN-Rio Grande do Norte, RS-Rio Grande do Sul e CE-Ceará. Após o acidente de nuclear de Chernorbil em 1986 e Fukushima em 2011, países como Dinamarca, Estados Unidos da América, Irlanda, Alemanha e China, dão relevante importância a implantação de mais energia renovável para seu suprimento energético. No Brasil, a primeira motivação se dá após a última crise energética ocorrida em 2001, quando há necessidade de mais implantação de térmicas emergenciais. Em 2002 é criada a lei 10.438 (Aneel, 2002) com o intuito de ampliar a matriz energética Brasileira com à inserção de mais fontes alternativas de energia elétrica, englobando biomassa, pequenas centrais hidrelétricas e eólica. A matriz energética Brasileira tradicionalmente tem modelo hidrotérmico com 65,17% hídrico e 28,61% térmico. Porém, o advento da fonte eólica para geração de energia elétrica nos últimos 7 anos, é destacável, no aspecto técnico, econômico, social e ambiental. Mesmo não considerada ou reconhecida como energia firme, a geração por meio da fonte eólica, traz questionamentos e reflexões a respeito da possibilidade de mudanças no modelo

elétrico nacional, especialmente para algumas regiões brasileiras com disponibilidade de uso da fonte eólica para geração de energia elétrica. 2. MATRIZ ENERGÉTICA BRASILEIRA Com quase 70% de geração limpa, sendo 66% predominantemente de geração hídrica quando integradas as plantas de UHE, PCH e CGH e 4,78% de eólicas, na Tabela 1, é apresentado de forma resumida a caracterização dessa subdivisão, conforme o banco de dados de informação de geração da Aneel - Agência Nacional de energia elétrica. 2015). Tabela 1. Matriz energética nacional Potência instalada e suas participações (Aneel, Tipo Quantidade Potência Outorgada (kw) Potência Fiscalizada (kw) % CGH 1 524 367.732 369.609 0,27 EOL 2 273 6.667.533 6.629.397 4,78 PCH 3 468 4.834.527 4.821.485 3,48 UFV 4 27 25.236 21.236 0,02 UHE 5 198 87.701.249 85.203.663 61,42 UTE 6 2.775 40.992.752 39.684.962 28,61 UTN 7 2 1.990.000 1.990.000 1,43 Total 4.267 142.579.029 138.720.352 100 A matriz eólica tem uma participação apenas de 4,78%, a nível nacional e pouco expressiva, quando comparadas às plantas de fonte hidráulica e térmicas, por exemplo. A análise mais precisa para mensurar a real participação das EOL é quando comparamos efetivamente sua participação do ponto de vista do FC 8 -Fator de Capacidade, ao tornar esse valor de participação na matriz energética brasileira, ainda mais reduzida, em relação a sua potência instalada. (Pinto, 2011) afirma que por outro lado, sabe-se que a energia eólica se tornou uma bem difundida fonte de energia e uma importante peça no mercado energético mundial [...]. e de sobremaneira deve, portanto, ser um recurso natural explorado no Brasil. 1 CGH Central Geradora Hidráulica; 2 EOL - Central Geradora Eólica; 3 PCH Pequena Central Hidrelétrica; 4 UFV Usina Foto-Voltaica; 5 UHE Usina Hidrelétrica; 6 UTE Usina Termelétrica; 7 UTN Usina Termonuclear. 8 FC: é a razão da potência efetivamente realizada em um determinado período de tempo, pela potência instalada de projeto dada em %.

2.1 Operação do Sistema Elétrico Nacional Duas características são predominantes nos Sistema elétrico Brasileiro. Sua dimensão continental e grandes transferências de potência entre as regiões norte, sul, leste e oeste. Esses parâmetros tornam desafiador ao ONS-Operador Nacional do Sistema Elétrico, operar um sistema complexo com matriz hídrica, térmica, nuclear e eólica, todas simultaneamente, ao controlar aspectos de demanda, consumo e qualidade de energia em diferentes níveis de tensão em CA e CC. Com FC diretamente ligado a sazonalidade do recurso natural, como as usinas hídricas e eólicas, no Brasil, o período chuvoso se dá no 1º semestre e o período de ventos no 2º semestre. A figura abaixo mostra as linhas de transmissão que interligam os extremos das regiões Brasileiras. Figura 1. Sistema elétrico de Potência, (ONS, 2015). 2.2 Geração Eólica A geração eólica é um novo entrante na matriz energética Brasileira. Os estados que desbravam essa matriz são a BA, RN, CE, RS, SC-Santa Catarina, PE-Pernambuco, PI- Piauí, MA-Maranhão. Ambos os estados operam sua matriz eólica em regiões de chapada e

na zona costeira nos extremos dos país, sendo BA, RN e CE no NE-Nordeste e RS no S-Sul do Brasil. A capacidade instalada das usinas de geração de energia elétrica por fonte eólica no SIN-Sistema Interligado Nacional, estão representadas abaixo, conforme tabela II. Tabela 2. Geração Média da Fonte Eólica. Boletim de geração eólica (ONS, 2015). Tipo I Tipo II Tipo III Conjuntos Total Geração MW med 2.245,8 55,7 705,6 3.562,3 6.569,3 2.321,8 O despacho das EOL, dos quais 66,5% estão localizadas na região NE, se dão na máxima produção de energia, ou seja, o que se gera para o SIN é consumido, devido a necessidade de inserção de fontes alternativas de energia para compensar os baixos níveis nos reservatórios hidrelétricos na região NE, que por exemplo, se encontra com 16% de nível em 2015 (ONS, 2015). A representatividade do MW Médio de EOL em função da demanda nacional está em 3,7% e 34,05% de FC. A operação é focada no controle do fator de potência sendo utilizado em suas instalações banco de capacitores e reatores para compensação de reativos indutivos e capacitivos e ainda severo controle de tensão e frequência, além de aspectos operacionais em regime permanente e dinâmico. 2.3 Parâmetros Analisados Vamos destacar nesse tópico, quatro aspectos para análise. A função distribuição de Rayleigh, a função distribuição de Weibull, ambos associados à velocidade média do vento e os fatores de capacidade verificados ao longo do período amostral nos parques eólicos em operação. 2.1.1 Velocidade média do vento A velocidade do vento é o principal recurso natural para geração de energia elétrica pela fonte eólica, e claro sem perder as características de umidade, direção e temperatura. Mapear áreas que apresentem condições climáticas favoráveis de velocidade, direção, umidade e temperatura é fator preponderante para o desenvolvimento desses projetos. Segundo (Jonhson, 2009), The most obvious way of measuring the Wind is to install appropriate instruments and collect data for a period time. Colocado isso, foi visto a velocidade média do vento nos estados da BA, RN, RS e CE ao longo dos anos de 2012,

2013 e 2014. Para os estados analisados é verificada a velocidade média ao longo do período amostral, como fórmula expressa abaixo., (1) Onde, Vm é a velocidade média, v é a velocidade do vento e f(v) é a frequência dessas velocidades ao longo do ano verificado. A figura 02 e 03, destaca as velocidades médias mensais ao longo dos anos de 2012, 2013 e 2014, para os estados da BA, RN, CE e RS, conforme (EPE, 2015). BA Vm = 8,82 m/s RN Vm = 8,45 m/s Figura 2. Velocidade média horária mensal do vento da BA e RN entre 2012 e 2014 (EPE, 2015). CE Vm = 8,54 m/s RS Vm = 7,21 m/s Figura 3. Velocidade média horária mensal do vento do CE e RS entre 2012 e 2014 (EPE, 2015). 2.1.2 Função de distribuição de Rayleigh A função de distribuição da probabilidade das frequências de velocidade do vento por meio do modelo de Rayleigh é uma importante fonte de análise, para estimativa de produção de energia elétrica, e na ausência de alguns dados é recomendável para análise do planejamento energético pela fonte eólica. Por meio da expressão abaixo, foi possível calcular as curvas de distribuição. Fr exp, (2) Onde, F(r) é a função de distribuição de Rayleigh, ν é a velocidade do vento, Vm é a velocidade média anual do vento. Por essa função, é destacado uma melhor distribuição das

frequências de velocidade ao longo do ano para os estados BA, RN e CE, do que para o RS, embora apresente também um bom nível de distribuição da velocidade média do vento. P(r) 11% 10% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% 0% -1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 m/s Rayleigh - CE Rayleigh - BA Rayleigh - RN Rayleigh - RS Figura 4. Distribuição das frequências pelo modelo de Rayleigh (Autor, 2015). 2.1.3 Função de distribuição de Weibull A função de probabilidade das frequências de velocidade de Weibull, traz a melhor descrição da função de distribuição das velocidades de vento da reserva estudada. Para mensurar Weibull, vamos precisar além da velocidade do vento, de outros dois parâmetros. São eles os parâmetros de forma e de escala, encontrados empiricamente com base nos valores verificados de fator de capacidade das regiões estudadas. Essa função é encontrada, através da equação expressa abaixo. Fw!! "# exp $ %, (3)! Sendo k o parâmetro de forma, c o parâmetro de escala. Respectivamente associados à velocidade do vento em m/s e adimensional. Então foi colocado as curvas de distribuição de Weibull, comparativamente sobreposta com as de Rayleigh. Os valores encontrados para k estão coerentes de acordo (Johnson, 2009) e (Patel, 1942), onde o ajuste deve ficar entre 2 e 3.

12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Figura 5. Distribuição das frequências pelo modelo de Weibull ajustado a curva de Rayleigh (Autor, 2015). k = 2,49 c = 6,79-1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 m/s Rayleigh - CE Rayleigh - BA Rayleigh - RN Rayleigh - RS Weibull 2.1.4 Fatores de Capacidade registrados Analisado os fatores de capacidade entre os anos de 2009 e 2014 nos estados da BA, RN, RS e CE, foi verificado um FC geral para os quatro estados em 34,05%. Destaque para o CE com 44,9% em 2014. Tabela 3. Fatores de capacidade entre 2009 e 2014. Estados/anos 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Média Calculado CE 36,30% 36,40% 30,60% 44,80% 46,40% 44,90% 39,90% 48% RN 26,50% 33,40% 33,50% 34,20% 35,30% 35,40% 33,05% 47,7% RS 29,60% 27,40% 33,60% 32,80% 34% 33,40% 31,80% 37,5% BA 14,20% 37,50% 42,70% 31,47% 49,9% Média 30,80% 32,40% 32,57% 31,50% 38,30% 39,10% 34,05% 45,7% 3. MODELO PROPOSTO Alemanha até 2022 quer estar com 100% de sua matriz energética totalmente limpa e provida por energia renovável. Dinamarca até 2025 segundo (Sharman & Meyer, 2009) também pretende sair dos atuais 20% para 50% de geração de eletricidade pela fonte eólica. A Irlanda segundo (UDO, 2011), têm inserido fonte eólica com objetivo de reduzir a emissão do CO 2 e claro sair da dependência do uso do combustível fóssil. E o Brasil? Segundo o PDE Plano Decenal de Energia 2024, o Brasil possui uma meta de crescimento das fontes alternativas para 11,6% até 2024. A Dinamarca, têm um contexto do excedente de energia elétrica produzida pela fonte eólica do qual é exportada para Noruega

e Suécia em troca de um mix em sua matriz energética de geração térmica, eólica e importação da fonte hídrica. Diferentemente o Brasil, a maior concentração das eólicas estão exatamente em uma das regiões com piores indicadores dos níveis de reservatório do qual é 16% na região NE. Então toda energia elétrica produzida nessa região tem seu consumo interno no Brasil, muito embora a energia elétrica não tenha legenda ou identificação de sua origem. Então se tem dois objetivos básicos para o Brasil. Primeiro compensar de alguma forma os níveis dos reservatórios e segundo reduzir a utilização das térmicas que possuem custos operacionais elevados. A redução do uso do combustível fóssil e CO 2, são também fatores relevantes no atual contexto mundial de discussões da inserção de fontes alternativas de energia. A implementação de mais parques eólicos no sistema elétrico, tendo em vista a autossuficiência energética, geração limpa, maior desenvolvimento tecnológico, econômico, social e claro, aumento efetivo de participação do MW Médio em função da demanda nacional que é 61 GW Médio, traz naturalmente alteração do modelo hidrotérmico, para um modelo hidroeólioelétrico, mesmo que por períodos sazonais e mesmo que por regiões geográficas, sendo no Brasil a região NE e S. É razoável para estados com grande potencial eólico e renovável, otimizar esse aproveitamento de maneira mais ampla e reduzir a geração térmica. Porém, o ajuste para efeito de alteração do modelo deve ser pensado sempre no sentido de se ter confiabilidade no suprimento, garantindo como proposta sua autossuficiência como novo valor mínimo a ser ofertado pelos parques eólicos. Valor esse que pode ser ajustado em de acordo com a realidade regional. 4. CONCLUSÃO O Brasil dá um grande passo para o desenvolvimento no setor eólico, a exemplo de países como Alemanha e Dinamarca. A penetração da fonte eólica, pode ser avaliada pela necessidade de reserva energética, custo, intercâmbios, complementariedade ou simplesmente sócio ambiental. O desafio, avança inconscientemente ao passo que os leilões no ambiente regulado e também acordos no ambiente livre são celebrados para possibilitar a expansão da oferta de energia por meio dessa fonte. E essa alteração no modelo do setor elétrico vai naturalmente ser atestado pela confiabilidade das séries históricas das velocidades do vento, da aderência ao planejado dos fatores de capacidade, tanto calculados como verificados. (Lafraia, 2011), afirma que planejar é exercitar possibilidades para que não sejamos surpreendidos.... Os excelentes dados de velocidade

média anual de vento em alguns estados brasileiros, variam entre 7,2 e 8,8 m/s, como já evidenciados nesse trabalho, favorecem esse planejamento energético, tendo em vista que foi possível verificar os valores reais dos fatores de capacidade médio anual em função dessa velocidade e os fatores de forma e escala. Que o fator de capacidade médio verificado nos 4 estados analisados entre 2009 e 2014 foi 34,05% e 39,1% quando analisado apenas 2014. Que o erro no ano de 2014 encontrado é aproximadamente mais ou menos 5%, com exceção do estado do RS, localizada no Sul do Brasil, que apresentou níveis de fator de capacidade abaixo da região NE. Os níveis de incerteza são pequenos e perfeitamente possíveis de seu atingimento e consequentemente o rompimento do paradigma do atual modelo brasileiro. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Lei 10.438 Expansão e oferta de energia, < www.aneel.gov.br/cedoc/lei200210438.pdf>, acessado em 2015. ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica, Matriz Energética Brasileira, disponível em <http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/capacidadebrasil/capacidadebrasil.cfm>, acessado em 2015. EPE Empresa de Pesquisa Energética, Acompanhamento das Medições Anemométricas, disponível em, <http://www.epe.gov.br/paginas/default.aspx>, acessado em 2015. JONHSON, Gary L, Wind Energy System. Ed. eletrônica, 2009, disponível em <http://www.rpc.com.au/information/faq/wind-power/wind-energy-systems.html>, cap. 3, pp.1. Lafraia, João Ricardo Barusso, Manual de Confiabilidade, Manutenabilidade e disponibilidade, Rio de Janeiro, Qualitymark, Petrobras, 2001, pp. 343. ONS, Operador do Sistema Elétrico, Resultados da operação. Disponível em < http://www.ons.org.br/resultados_operacao/boletim_mensal_geracao_eolica/index.aspx >, acessado em 2015. PATEL, Mukind R., Wind and Solar Power System, 1942, CRC Press, New York, cap. 3, pp.34. SHARMAN, H. & MEYER, Wind Energy: The Case of Denmark, September, 2009. UDO. F., Wind Energy in The Irish Power System, 2011, 8 p