1 MÓDULO I VISÃO GERAL Referências utilizadas: Leão, R. GTD Geração, Transmissão e Distribuição da Energia Elétrica, Departamento de Engenharia Elétrica, Universidade Federal do Ceará, Ceará, 2009. Demais/outros conteúdos, imagens e apostilas disponíveis na Web/Internet. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.1 Sistema Elétrico de Potência Sistema Elétrico de Potência (SEP) conjunto de equipamentos que operam simultaneamente e de maneira coordenada de forma a gerar, transmitir e fornecer energia elétrica aos consumidores, mantendo o melhor padrão de qualidade possível. Preto ----- Geração Azul ------ Transmissão Verde ---- Distribuição Linhas de Transmissão Subestação Abaixadora de Distribuição Cliente de Subtransmissão (35kV a 138kV) ou de Distribuição (V < 230kV) Estação de Geração 5kV a 25kV Cliente Primário 13,8kV Subestação Elevadora 230kV a 1200kV Indústrias de Grande Porte ou Subestação Abaixadora Cliente Secundário Baixa Tensão Fig. 1.1 Estrutura básica do sistema elétrico de potência. Equipamentos geradores, transformadores, linhas de transmissão, disjuntores, chaves seccionadoras, pára-raios, relés, medidores, cabos, condutores, etc. Características do SEP: Normalmente são trifásicos Apresentam um grande número de componentes; Possuem transformadores que particionam o sistema em seções de diferentes níveis de tensão. Existem alguns requisitos básicos relacionados ao padrão de qualidade do fornecimento que devem ser satisfeitos pelas empresas concessionárias de energia elétrica. São eles: Os níveis de tensão devem estar dentro de uma faixa especificada; A frequência deve estar dentro de uma faixa especificada; O serviço deve sofrer o mínimo de interrupções e estas devem durar o mínimo possível; A forma de onda da tensão deve ser a mais próxima possível de uma senóide;
2 A energia deve ser entregue ao consumidor pelo menor custo possível (geração econômica, transmissão com mínimas perdas, distribuição segura, etc.); O impacto ambiental deve ser mínimo; Etc.. 1.2 Base do SEP Toda a tecnologia hoje em uso deve-se a grandes estudiosos, pioneiros e empreendedores da eletricidade. Seus nomes e feitos são aqui registrados como tributo de reconhecimento pela grande contribuição. James Watt 1736 1819 (Escocês) Mecânico, concebeu o princípio da máquina a vapor, que possibilitou a revolução industrial. A unidade de potência útil foi dada em sua homenagem (watt). Alessandro Volta 1745-1827 (Italiano) Em 1800 anunciou a invenção da bateria. A unidade de força eletromotriz foi criada em sua homenagem (volt). André Marie Ampère 1775-1836 (Francês) Iniciou pesquisa em 1820 sobre campos elétricos e magnéticos. Descobriu que as correntes agiam sobre outras correntes. Elaborou completa teoria experimental e matemática lançando as bases do eletromagnetismo. A unidade de corrente elétrica foi escolhida em sua homenagem (ampère). Georg Simon Ohm 1789-1854 (Alemão) Em 1827 enunciou a lei de Ohm. Seu trabalho só foi reconhecido pelo mundo científico em 1927. As unidades de resistência, reatância e impedância elétrica foram escolhidas em sua homenagem (ohm). Joseph Henry 1797-1878 (Americano) Descobriu a indutância de uma bobina. Em sua homenagem seu nome foi dado à unidade de indutância (henry). Michael Faraday 1791-1867 (Inglês) Físico e químico. Em 1831 descobriu a indução eletromagnética. Constatou que o movimento de um imã através de uma bobina de fio de cobre causava fluxo de corrente no condutor. Estabeleceu o princípio do motor elétrico. A unidade de capacitância é em sua homenagem (F). Gustav Robert Kirchhoff 1824 1887 (Alemão) Em 1847 anunciou as leis de Kirchhoff para correntes e tensões.
3 Thomas Alva Edison 1847-1931 (Americano) Em 1879 inventou a lâmpada elétrica. Patenteou 1100 invenções: cinema, gerador elétrico, máquina de escrever, etc. Criou a Edison General Electric Company. Instalou em 1882 a primeira usina de geração de energia elétrica do mundo com fins comerciais, na área de Wall Street, distrito Financeiro da cidade de New York. A Central gerava em corrente contínua, com seis unidades geradoras com potência total de 700 kw, para alimentar 7200 lâmpadas em 110 V. William Stanley 1858-1968 (Americano) Em 1885 desenvolveu comercialmente o transformador. Nikola Tesla 1856-1943 (Croata-Americano) Em 1888 inventou os motores de indução e síncrono. Inventor do sistema polifásico. Responsável pela definição de 60 Hz como freqüência padrão nos EUA. A unidade para densidade de fluxo magnético é em sua homenagem (T). 1.3 Organização do Sistema Elétrico Brasileiro Sob o âmbito mundial, o setor elétrico tem passado por amplo processo de reestruturação organizacional, visando à interligação de todas as redes de energia. No modelo atual os sistemas elétricos são tipicamente divididos em segmentos como: geração, transmissão, distribuição, e comercialização. No Brasil, este processo de reestruturação foi desencadeado com a criação de um novo marco regulatório, a desestatização das empresas do setor elétrico e a abertura do mercado de energia elétrica. Para gerenciar essa nova estrutura, o governo federal criou a estrutura apresentada na Fig. 1.2. Fig. 1.2 Organização e os agentes do setor elétrico brasileiro. Conselho Nacional de Política Energética CNPE Órgão de assessoramento do Presidente da República para formulação de políticas nacionais e diretrizes de energia, visando, dentre outros, o aproveitamento natural dos recursos energéticos do país, a revisão periódica da matriz energética e a definição de diretrizes para programas específicos.
4 Ministério de Minas e Energia MME Encarregado de formulação, do planejamento e da implementação de ações do Governo Federal no âmbito da política energética nacional. Comitê de Monitoramento do Setor Elétrico CMSE Constituído no âmbito do MME e sob sua coordenação direta, com a função de acompanhar e avaliar permanentemente a continuidade e a segurança do suprimento eletro energético em todo o território. Empresa de Pesquisa Energética - EPE Empresa pública federal vinculada ao MME tem por finalidade prestar serviços na área de estudos e pesquisas destinados a subsidiar o planejamento do setor energético. Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL Autarquia vinculada ao MME, com finalidade de regular a fiscalização, a produção, transmissão, distribuição e comercialização de energia, em conformidade com as políticas e diretrizes do Governo Federal. A ANEEL detém os poderes regulador e fiscalizador. Operador Nacional do Sistema Elétrico ONS O ONS é responsável pela operação física do sistema e pelo despacho energético centralizado. Câmara de Comercialização de Energia Elétrica CCEE Administra os contratos de compra e venda de energia elétrica, sua contabilização e liquidação. A CCEE é responsável pela operação comercial do sistema. Agências Estaduais de Energia Elétrica Nos estados foram criadas as Agências Reguladoras Estaduais com a finalidade de descentralizar as atividades da ANEEL. Eletrobrás A Eletrobrás controla grande parte dos sistemas de geração e transmissão de energia elétrica do Brasil por intermédio de seis subsidiárias: Chesf, Furnas, Eletrosul, Eletronorte, CGTEE (Companhia de Geração Térmica de Energia Elétrica) e Eletronuclear. A empresa possui ainda 50% da Itaipu Binancional e também controla o Centro de Pesquisas de Energia Elétrica (Cepel), o maior de seu gênero no Hemisfério Sul. Agentes Setoriais Agentes relacionados ao setor de energia elétrica (Ex. ABRAGE: Associação Brasileira das Empresas Geradoras de Energia Elétrica). 1.4 Sistema de Geração Na geração de energia elétrica uma tensão alternada é produzida, a qual é expressa por uma onda senoidal. Essa onda senoidal propaga-se pelo sistema elétrico mantendo a frequência constante e modificando a amplitude à medida que trafega por transformadores. Os consumidores conectam-se ao sistema elétrico e recebem o produto e o serviço de energia elétrica. Conversão convencional Fontes primárias: hidráulica, combustível fóssil (carvão, petróleo, gás), fissão nuclear;
5 ENERGIA MECÂNICA ALTERNADOR OU GERADOR Fig. 1.3 conversão convencional. ENERGIA ELÉTRICA Conversão Não-Convencional Solar: células fotoelétricas (baixo rendimento, alto custo) Eólica: cataventos [Brasil (RS, CE,...), Dinamarca, EUA (Califórnia)] 1.5 Sistemas de Transmissão e Subtransmissão O sistema de transmissão liga as grandes usinas de geração às áreas de grande consumo. A segurança é um aspecto fundamental para as redes de transmissão. Qualquer falta neste nível pode levar a descontinuidade de suprimento para um grande número de consumidores. A energia elétrica é permanentemente monitorada e gerenciada por um centro de controle. O nível de tensão depende do país. No Brasil, o nível de tensão estabelecido está entre 230 kv e 750 kv. O sistema de subtransmissão recebe energia da rede de transmissão com objetivo de transportar energia elétrica a pequenas cidades ou importantes consumidores industriais. O nível de tensão está, geralmente, entre 35 kv e 138 kv. A estrutura dessas redes é em geral em linhas aéreas, por vezes cabos subterrâneos próximos a centros urbanos fazem parte da rede. A permissão para novas linhas aéreas está cada vez mais demorada devido ao grande número de estudos de impacto ambiental e oposição social. Os sistemas de proteção são do mesmo tipo daqueles usados para as redes de transmissão e o controle é regional. 1.6 Sistema de Distribuição As redes de distribuição alimentam consumidores industriais de médio e pequeno porte, consumidores comerciais e de serviços e consumidores residenciais. E, de acordo com a Resolução N 456/2000 da ANEEL e o Módulo 3 do Prodist (Procedimentos de Distribuição), a tensão de fornecimento para a unidade consumidora se dará de acordo com a potência instalada. Os níveis de tensão de distribuição, segundo o Prodist, são assim classificados: Alta tensão (AT): Tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69 kv e inferior a 230 kv. Média tensão de distribuição (MT): tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV. Baixa tensão de distribuição (BT): tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou inferior a 1kV. A rede BT representa o nível final na estrutura de um SEP. Grande número de consumidores, setor residencial, é atendido pelas redes em BT. Tais redes são em geral operadas manualmente. Tabela 1.1 - Tensões Nominais Padronizadas de Baixa Tensão Prodist Módulo 3 Sistemas Tensão Nominal (V) Trifásico 220/127 380/220 Monofásico 254/ 127 440/220
6 Fig. 1.4 Poste de distribuição. O SEP é um sistema de controle Fig. 1.5 Exemplo de um SEP. 1.7 Características do Setor Elétrico Brasileiro 1.7.1 Geração de Energia Elétrica no Brasil O sistema de produção e transmissão de energia elétrica do Brasil pode ser classificado como hidrotérmico de grande porte, com forte predominância de usinas hidrelétricas e com múltiplos proprietários. A maior parte da capacidade instalada é composta por usinas hidrelétricas, que se distribuem em 14 diferentes bacias hidrográficas nas diferentes regiões do país de maior atratividade econômica. Tabela 1.2 Potência das maiores usinas hidrelétricas do Brasil. Usina Itaipu (Rio Paraná) Tucuruí (Rio Tocantins) Ilha Solteira (Rio Paraná) Xingó (Rio São Francisco) Foz do Areia (Rio Iguaçu) Paulo Afonso (Rio São Francisco) Capacidade de geração 14000MW 8730MW 3444MW 3162MW 2511MW 2462MW
7 Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/pop/pop_integracao_eletroenergetica.aspx Fig. 1.6 Interligação eletroenergética do Brasil. Tipos de usinas brasileiras: Hidroelétricas (cerca de 71,74%); Termoelétricas (carvão ou óleo); Nuclear (urânio enriquecido); Outros tipos de combustíveis alternativos como biomassas (bagaço de cana, casca de amêndoa do caju, óleo de mamona), turbinas movidas a gás, centrais solares e aproveitamento dos ventos (eólicas) e das marés, etc. 1.7.2 Sistema Interligado Nacional O parque gerador nacional é constituído, predominantemente, de centrais hidrelétricas de grande e médio porte, instaladas em diversas localidades do território nacional. Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o que impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas regionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas geradoras. Com o objetivo de ampliar a confiabilidade, otimizar os recursos energéticos e homogeneizar mercados foi criado o sistema interligado nacional - SIN, o qual é responsável por mais de 95% do fornecimento nacional. Sua operação é coordenada e controlada pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico ONS. Vantagens dos sistemas interligados: Aumento da estabilidade; Aumento da confiabilidade; Aumento da disponibilidade do sistema; Mais econômico (trocar reservas).
8 Desvantagens dos sistemas interligados: Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados; A operação e proteção tornam-se mais complexas. 1.7.3 Transmissão de Energia Elétrica no Brasil As linhas de transmissão (LT) no Brasil costumam ser extensas, porque as grandes usinas hidrelétricas geralmente estão situadas a distâncias consideráveis dos centros consumidores de energia. Hoje o país está quase que totalmente interligado, de norte a sul. As principais empresas investidoras em linhas de transmissão no país estão na Tabela 1.3. Tabela 1.3 Maiores transmissores de energia elétrica do Brasil (Fonte: ABRATE, 2008). Agentes Km de LT FURNAS 19.082 CTEEP 18.495 CHESF 18.260 ELETROSUL 10.693 ELETRONORTE 7.856 CEEE 6.008 CEMIG 4.875 COPEL 1.766 Apenas o Amazonas, Roraima, Acre, Amapá, Rondônia e parte do estado do Pará ainda não fazem parte do sistema integrado de eletrificação. Nestes Estados, o abastecimento é feito por pequenas usinas termelétricas ou por usinas hidrelétricas situadas próximas às suas capitais. No Brasil, a interligação do sistema elétrico liga as diferentes regiões do país como pode ser visto no mapa da Fig. 1.7 Fonte: http://www.ons.com.br/conheca_sistema/pop/pop_sistema_transmissao.aspx Fig. 1.7 Sistema de transmissão do Brasil.
9 1.7.4 Distribuição de Energia Elétrica no Brasil Os sistemas de distribuição de energia elétrica no Brasil incluem todas as redes e linhas de distribuição de energia elétrica em tensão inferior a 230 kv, seja em baixa tensão (BT), média tensão (MT) ou alta tensão (AT). As maiores concessionárias de distribuição de eletricidade do Brasil são classificados conforme a tabela a seguir: Tabela 1.4 Maiores agentes de distribuição do Brasil (Fonte: ABRADEE, 2008). Empresa Consumo em GWh ELETROPAULO (SP) 32.548 CEMIG (MG) 20.693 CPFL (SP) 18.866 COPEL (PR) 18.523 LIGHT (RJ) 18.235 CELESC (SC) 13.829 COELBA (BA) 11.403 ELEKTRO (SP, MS) 10.055 CELPE (PE) 8.171 1.8 O Futuro do Mercado de Energia O mercado geração, transmissão e distribuição de energia elétrica é hoje caracterizado por monopólios naturais dentro de áreas geográficas. A nova tendência internacional é de liberalização do mercado de energia elétrica com o estabelecimento de comércio de energia online. Tecnologia e vontade para isso já existem. A tecnologia, no caso, atende pelo nome de Smart Grid (redes inteligentes). As Smart Grids proporcionam um retorno, do cliente, para a distribuidora de energia. Por meio de tecnologias digitais, produtores conseguem se comunicar com consumidores, proporcionando, entre outras coisas, o controle da emissão de energia, a identificação de problemas e de falhas em tempo real e, até mesmo, o controle de equipamentos diversos conectados à rede. Como em uma rede de dados, é possível definir a rota por onde vai passar a energia, evitando trechos com problemas e garantindo o fornecimento. Usinas: Hidrelétricas/ Termoelétricas/ Nucleares/ Sistema de transmissão Subestação Sistema de distribuição Central de operação Sistema de armazenamento Rede residencial local Painéis solares Sistema de gerenciamento de edifícios Veículos solares Sistema de distribuição Fig. 1.8 Smart Grid.
10 Em tempos nos quais a preocupação com o meio ambiente amarra investimentos em tecnologia, as Smart Grids aparecem como uma alternativa inteligente para racionar o consumo e aumentar a eficiência energética. Os custos são altos, mas, aparentemente, existem demanda e vontade para tornar o conceito uma realidade no Brasil. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------